技术领域
[0001] 本
发明属于无铅压电陶瓷材料领域,具体涉及一种铌酸钾钠无铅压电陶瓷的制备方法。
背景技术
[0002] 压电陶瓷作为一类重要的功能陶瓷,在
电子信息、超声换能、
传感器、
无损检测等技术领域已获得广泛应用。 压电材料及器件具有实现
电能与机械能直接转换的功能,其工作原理源自
力–电耦合的
压电效应,涉及材料、物理、力学等多学科交叉。压电材料不仅用途广泛,而且其相关材料科学与应用技术的研究一直经久不衰。
[0003] 目前大规模使用的压电陶瓷材料体系主要是以锆
钛酸铅为主的铅基压电陶瓷。铅基压电陶瓷具有优异的压电性能,并且可以通过掺杂取代来调节其性能以满足不同需求,但是这些陶瓷材料中含有大量对人体和环境有害的铅。目前,环境保护问题日益引起人们的关注,压电陶瓷材料最终将实现无铅化,因而环境友好型无铅压电陶瓷成为研究的热点。其中铌酸钾钠基(KNN)无铅压电陶瓷以其相对优越的压电性能和较高的
居里温度倍受关注,但KNN的制备工艺性差,对
烧结温度非常敏感,使用传统陶瓷工艺得到的KNN陶瓷,其致
密度很差。
发明内容
[0004] 为了解决
现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种铌酸钾钠无铅压电陶瓷的制备方法,旨在提供一种新的陶瓷生坯成型方法,有效提高KNN陶瓷的生坯密度,进而改善KNN陶瓷烧结特性和压电性能。
[0005] 为了实现上述的技术目的,本发明的技术方案为:一种铌酸钾钠无铅压电陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
1)将Nb2O5和KOH按照摩尔比1:6混合得到混合料,以
乙醇为
研磨介质,将混合料置于研钵中研磨均匀,然后将混合料于300-350℃下
焙烧2-2.5h后溶于
水,并用
硝酸滴定直至产生白色沉淀,过滤,收集沉淀,将沉淀用去离子水反复冲洗,抽滤烘干,然后将沉淀溶于一定量
草酸中得到可溶性前驱体;
2)按化学组成通式K0.5Na0.5NbO3的化学计量比称取上述前驱体、Na2CO3和K2CO3,并置于
柠檬酸中混合均匀,而后用
氨水滴定至中性,充分搅拌后得到溶胶,将溶胶烘干得到
干凝胶;
3)将上述干凝胶研磨成粉,置于
马弗炉中,设置
煅烧温度为700-1000℃,保温1-5h,制得铌酸钾钠
纳米粉体;
4)称取一定量的铌酸钾钠纳米粉体,加入其重量比1-25%的研磨溶液,于研钵中充分研磨均匀,然后将研磨后的物料装入直径为10mm的模具中,于20-180℃下施加200-400MPa压力
压制成型,保压1-60分钟,得到坯体;
5)将上述坯体脱模得到生坯,将生坯置于马弗炉中,于1050-1150℃下烧结1-4小时,然后自然冷却至室温,即可制得铌酸钾钠无铅压电陶瓷。
[0006] 所述步骤1),混合料与研磨介质乙醇的重量比为1:1。
[0007] 所述步骤2),溶胶于115-125℃烘干至恒重得到干凝胶所述步骤3),铌酸钾钠纳米粉体的粒径小于100nm。
[0008] 所述步骤4),研磨溶液为去离子水、
醋酸溶液、氢
氧化钠溶液或氢氧化钾溶液中的一种。
[0009] 研究发现,生坯密度对KNN陶瓷的烧结特性和电学性能有极大影响,因此提高KNN陶瓷的生坯密度,对制备高性能KNN压电陶瓷具有很大的促进作用。本发明采用以上技术方案,通过在铌酸钾钠纳米粉体中加入一定比例的研磨溶液,在设定温度和压力下成型,可以得到成型密度很高的生坯陶瓷片。与现有技术相比,本发明的有益效果为:(1)通过本发明方法法获得的KNN生坯密度达到70%以上,相比传统的制片方法致密度提高50%左右。
[0010] (2)生坯密度的提高拓宽了KNN陶瓷对烧
结温度范围,提高了生产工艺的灵活度。
附图说明
[0011] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述:图1是
实施例2得到的KNN纳米粉体的XRD图;
图2是实施例2得到的KNN纳米粉体的扫描电镜图;
图 3是实施例2得到的铌酸钾钠无铅压电陶瓷的扫描电镜图。
具体实施方式
[0012] 一种铌酸钾钠无铅压电陶瓷的制备方法,包括以下步骤:1)将Nb2O5和KOH按照摩尔比1:6混合得到混合料,以乙醇为研磨介质,将混合料与乙醇按照重量比1:1置于研钵中研磨均匀,然后将混合料于300-350℃下焙烧2-2.5h后溶于水,并用硝酸滴定直至产生白色沉淀,过滤,收集沉淀,将沉淀用去离子水反复冲洗,抽滤烘干,然后将沉淀溶于一定量草酸中得到可溶性前驱体;
2)按化学组成通式K0.5Na0.5NbO3的化学计量比称取上述前驱体、Na2CO3和K2CO3,并置于柠檬酸中混合均匀,而后用氨水滴定至中性,充分搅拌后得到溶胶,将溶胶于115-125℃烘干至恒重得到干凝胶;
3)将上述干凝胶研磨成粉,置于马弗炉中,设置煅烧温度为700-1000℃,保温1-5h,制得铌酸钾钠纳米粉体;粉体粒径小于100nm;
4)称取一定量的铌酸钾钠纳米粉体,加入其重量1-25%的研磨溶液(去离子水、醋
酸溶液、氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液),于研钵中充分研磨均匀,然后将研磨后的物料装入直径为10mm的模具中,于20-180℃下施加200-400MPa压力压制成型,保压1-60分钟,得到坯体;
5)将上述坯体脱模得到生坯,将生坯置于马弗炉中,于1050-1150℃下烧结1-4小时,然后自然冷却至室温,即可制得铌酸钾钠无铅压电陶瓷。
[0013] 实施例1一种铌酸钾钠无铅压电陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
1)将Nb2O5和KOH按照摩尔比1:6混合得到混合料,以乙醇为研磨介质,将混合料与乙醇按照重量比1:1置于研钵中研磨均匀,然后将混合料于350℃下焙烧2h后溶于水,并用硝酸滴定直至产生白色沉淀,过滤,收集沉淀,将沉淀用去离子水反复冲洗,抽滤烘干,然后将沉淀溶于一定量草酸中得到可溶性前驱体;
2)按化学组成通式K0.5Na0.5NbO3的化学计量比称取上述前驱体、Na2CO3和K2CO3,并置于柠檬酸中混合均匀,而后用氨水滴定至中性,充分搅拌后得到溶胶,将溶胶于120℃烘干至恒重得到干凝胶;
3)将上述干凝胶研磨成粉,置于马弗炉中,设置煅烧温度为700℃,保温5h,制得铌酸钾钠纳米粉体;粉体粒径小于100nm;
4)称取一定量的铌酸钾钠纳米粉体,加入其重量25%的去离子水,于研钵中充分研磨均匀,然后将研磨后的物料装入直径为10mm的模具中,于180℃下施加200MPa压力压制成型,保压60分钟,得到坯体;
用电子天平准确称量坯体
质量,用游标卡尺和千分尺分别测量其直径和厚度,然后用质量体积之比计算得出其密度为70.4%(即生坯密度);
5)将上述坯体脱模得到生坯,将生坯置于马弗炉中,于1150℃下烧结4小时,然后自然冷却至室温,即可制得铌酸钾钠无铅压电陶瓷,其密度达92.7%,压电常数d33达到67pC/N。
[0014] 实施例2一种铌酸钾钠无铅压电陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
1)将Nb2O5和KOH按照摩尔比1:6混合得到混合料,以乙醇为研磨介质,将混合料与乙醇按照重量比1:1置于研钵中研磨均匀,然后将混合料于300℃下焙烧2.5h后溶于水,并用硝酸滴定直至产生白色沉淀,过滤,收集沉淀,将沉淀用去离子水反复冲洗,抽滤烘干,然后将沉淀溶于一定量草酸中得到可溶性前驱体;
2)按化学组成通式K0.5Na0.5NbO3的化学计量比称取上述前驱体、Na2CO3和K2CO3,并置于柠檬酸中混合均匀,而后用氨水滴定至中性,充分搅拌后得到溶胶,将溶胶于115℃烘干至恒重得到干凝胶;
3)将上述干凝胶研磨成粉,置于马弗炉中,设置煅烧温度为1000℃,保温1h,制得铌酸钾钠纳米粉体;粉体粒径小于100nm;
4)称取一定量的铌酸钾钠纳米粉体,加入其重量1%的醋酸溶液,于研钵中充分研磨均匀,然后将研磨后的物料装入直径为10mm的模具中,于20℃下施加400MPa压力压制成型,保压1分钟,得到坯体;
用电子天平准确称量坯体质量,用游标卡尺和千分尺分别测量其直径和厚度,然后用质量体积之比计算得出其密度为71.4%(即生坯密度);
5)将上述坯体脱模得到生坯,将生坯置于马弗炉中,于1100℃下烧结4小时,然后自然冷却至室温,即可制得铌酸钾钠无铅压电陶瓷,其密度达93.5%,压电常数d33达到79pC/N。
[0015] 本实施例得到的KNN纳米粉体的XRD图如图1所示,从中可以看出所得到粉体为纯度比较高的
钙钛矿结构的K0.5Na0.5NbO3,几乎没有杂相出现。
[0016] 本实施例得到的KNN纳米粉体的扫描电镜图如图2所示,从中可以看出通过sol-gel法制备得到的粉体粒径比较均匀,粒径大小在100nm以下,未出现明显的团聚现象.本实施例得到的产品铌酸钾钠无铅压电陶瓷的扫描电镜图如图3所示,其显示烧结后得到陶瓷片气孔比较少,致密度比较高,陶瓷性能相对较好。
[0017] 实施例3一种铌酸钾钠无铅压电陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
1)将Nb2O5和KOH按照摩尔比1:6混合得到混合料,以乙醇为研磨介质,将混合料与乙醇按照重量比1:1置于研钵中研磨均匀,然后将混合料于350℃下焙烧2h后溶于水,并用硝酸滴定直至产生白色沉淀,过滤,收集沉淀,将沉淀用去离子水反复冲洗,抽滤烘干,然后将沉淀溶于一定量草酸中得到可溶性前驱体;
2)按化学组成通式K0.5Na0.5NbO3的化学计量比称取上述前驱体、Na2CO3和K2CO3,并置于柠檬酸中混合均匀,而后用氨水滴定至中性,充分搅拌后得到溶胶,将溶胶于125℃烘干至恒重得到干凝胶;
3)将上述干凝胶研磨成粉,置于马弗炉中,设置煅烧温度为850℃,保温3h,制得铌酸钾钠纳米粉体;粉体粒径小于100nm;
4)称取一定量的铌酸钾钠纳米粉体,加入其重量18%的氢氧化钠溶液,于研钵中充分研磨均匀,然后将研磨后的物料装入直径为10mm的模具中,于120℃下施加350MPa压力压制成型,保压30分钟,得到坯体;
用电子天平准确称量坯体质量,用游标卡尺和千分尺分别测量其直径和厚度,然后用质量体积之比计算得出其密度为73.2%(即生坯密度);
5)将上述坯体脱模得到生坯,将生坯置于马弗炉中,于1150℃下烧结2小时,然后自然冷却至室温,即可制得铌酸钾钠无铅压电陶瓷,其密度达95.2%,压电常数d33达到87pC/N。
[0018] 实施例4一种铌酸钾钠无铅压电陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
1)将Nb2O5和KOH按照摩尔比1:6混合得到混合料,以乙醇为研磨介质,将混合料与乙醇按照重量比1:1置于研钵中研磨均匀,然后将混合料于300℃下焙烧2.5h后溶于水,并用硝酸滴定直至产生白色沉淀,过滤,收集沉淀,将沉淀用去离子水反复冲洗,抽滤烘干,然后将沉淀溶于一定量草酸中得到可溶性前驱体;
2)按化学组成通式K0.5Na0.5NbO3的化学计量比称取上述前驱体、Na2CO3和K2CO3,并置于柠檬酸中混合均匀,而后用氨水滴定至中性,充分搅拌后得到溶胶,将溶胶于120℃烘干至恒重得到干凝胶;
3)将上述干凝胶研磨成粉,置于马弗炉中,设置煅烧温度为950℃,保温2h,制得铌酸钾钠纳米粉体;粉体粒径小于100nm;
4)称取一定量的铌酸钾钠纳米粉体,加入其重量1的氢氧化钾溶液,于研钵中充分研磨均匀,然后将研磨后的物料装入直径为10mm的模具中,于180℃下施加400MPa压力压制成型,保压30分钟,得到坯体;
用电子天平准确称量坯体质量,用游标卡尺和千分尺分别测量其直径和厚度,然后用质量体积之比计算得出其密度为72.5%(即生坯密度);
5)将上述坯体脱模得到生坯,将生坯置于马弗炉中,于1050℃下烧结4小时,然后自然冷却至室温,即可制得铌酸钾钠无铅压电陶瓷,其密度达94.1%,压电常数d33达到76pC/N。
[0019] 实施例5一种铌酸钾钠无铅压电陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
1)将Nb2O5和KOH按照摩尔比1:6混合得到混合料,以乙醇为研磨介质,将混合料与乙醇按照重量比1:1置于研钵中研磨均匀,然后将混合料于350℃下焙烧2h后溶于水,并用硝酸滴定直至产生白色沉淀,过滤,收集沉淀,将沉淀用去离子水反复冲洗,抽滤烘干,然后将沉淀溶于一定量草酸中得到可溶性前驱体;
2)按化学组成通式K0.5Na0.5NbO3的化学计量比称取上述前驱体、Na2CO3和K2CO3,并置于柠檬酸中混合均匀,而后用氨水滴定至中性,充分搅拌后得到溶胶,将溶胶于120℃烘干至恒重得到干凝胶;
3)将上述干凝胶研磨成粉,置于马弗炉中,设置煅烧温度为800℃,保温3h,制得铌酸钾钠纳米粉体;粉体粒径小于100nm;
4)称取一定量的铌酸钾钠纳米粉体,加入其重量12%的醋酸溶液,于研钵中充分研磨均匀,然后将研磨后的物料装入直径为10mm的模具中,于100℃下施加300MPa压力压制成型,保压1分钟,得到坯体;
用电子天平准确称量坯体质量,用游标卡尺和千分尺分别测量其直径和厚度,然后用质量体积之比计算得出其密度为70.2%(即生坯密度);
5)将上述坯体脱模得到生坯,将生坯置于马弗炉中,于1150℃下烧结1小时,然后自然冷却至室温,即可制得铌酸钾钠无铅压电陶瓷,其密度达93.2%,压电常数d33达到77pC/N。