專利名稱：無鉛壓電陶瓷k的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種無鉛壓電陶瓷K0.5Bi0.5TiO3納米線及其燒結(jié)體的制備方法屬于壓電陶瓷材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，商用的壓電陶瓷仍以PbTiO3(鈦酸鉛，縮寫為PT)、Pb(Zr，Ti)O3(鋯鈦酸鉛，縮寫為PZT)基陶瓷為主。但是，PT、PZT基陶瓷的主要生產(chǎn)原料為PbO，具有較高的毒性，在生產(chǎn)和回收處理過程中會對人類健康和環(huán)境造成很大的損害。因而，研發(fā)新型無鉛壓電陶瓷成為世界范圍內(nèi)的緊迫任務(wù)之一。
鈦酸鉍鉀(K0.5Bi0.5TiO3，縮寫為KBT)是一種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電體，室溫時(shí)屬四方晶系，居里點(diǎn)為380℃，是重要的無鉛壓電候選材料之一。目前，對該體系研究多采用傳統(tǒng)固相法，但該方法合成的KBT粉體較粗(微米級)，易團(tuán)聚，活性差，采用固相法合成的粉體很難燒結(jié)獲得高致密度的陶瓷體，限制了其在壓電器件方面的應(yīng)用。水熱法是合成納米晶化合物的重要方法，該方法是在特制的密閉反應(yīng)容器(高壓釜)里，采用水溶液作為反應(yīng)介質(zhì)，通過對反應(yīng)容器加熱，創(chuàng)造一個(gè)高溫、高壓反應(yīng)環(huán)境，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解并且重結(jié)晶而進(jìn)行無機(jī)材料合成。相對于傳統(tǒng)固相法較高的成相煅燒溫度，水熱法可在較低溫度下(通常為250℃以下)合成出結(jié)晶完整、均勻、高活性的納米粉體，且省去了高溫煅燒和球磨，從而避免了雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，有利于低溫?zé)Y(jié)制備高致密度陶瓷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有純鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)、均一粒徑的KBT納米線的制備方法。進(jìn)而，通過在氧氣氛中燒制這些KBT納米線制成高致密度，高居里溫度(380-388℃)，電學(xué)性能優(yōu)良的KBT壓電陶瓷燒結(jié)體。
本發(fā)明所采用的無鉛壓電陶瓷K0.5Bi0.5TiO3納米線的制備方法，其特征在于1按摩爾比1∶1∶2稱量的硝酸鉍、硝酸鉀和鈦酸四丁酯，分別依次溶解于乙酸中、去離子水中及乙醇中，然后將三種溶液混合并攪拌均勻，制成溶膠；2將上述溶膠烘干，獲得凝膠粉；3將上述凝膠粉加入到4～10M氫氧化鉀的水溶液中，攪拌均勻后，裝入密閉的反應(yīng)釜中；4在上述密閉的反應(yīng)釜中140～200℃下晶化24～48h；5經(jīng)上述晶化后抽濾，用去離子水洗滌，干燥，即得所需產(chǎn)物。
該方法生產(chǎn)工藝簡單，由于溫度控制在200℃以下，不但降低了能耗，而且所得產(chǎn)物具有純相的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、均一的粒徑。
本發(fā)明的KBT納米線在氧氣氛中燒制可獲得高致密度的陶瓷，一種無鉛壓電陶瓷K0.5Bi0.5TiO3燒結(jié)體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟在氧氣氛下燒制上述產(chǎn)物K0.5Bi0.5TiO3納米線，等靜壓成型壓力100MPa-200MPa，燒成溫度為1000℃～1100℃，保溫時(shí)間為2～4h。燒成溫度低于1000℃，陶瓷沒有燒結(jié)致密，高于1100℃，陶瓷將燒化變形。
按照上述工藝方法，可得到壓電陶瓷的性能為居里溫度380-388℃，測試溫度為20℃的壓電應(yīng)變常數(shù)d33是50×10-12C/N以上。


圖1產(chǎn)物a～d的粉末X射線衍射圖；圖2產(chǎn)物c的透射電鏡圖(內(nèi)插圖為電子衍射圖)；圖3產(chǎn)物c燒結(jié)成瓷的介電常數(shù)-溫度譜；具體實(shí)施方式
采用Bruker Advance D-8粉末射線衍射儀(Cu Kα輻射，λ＝1.5406)測定所制備材料結(jié)構(gòu)。采用JEM-2000FX透射電子顯微鏡測定所制備材料的顆粒尺寸和形貌。采用阿基米德排水法測定樣品體積密度。采用與自動控溫箱聯(lián)用的Agilent 4284A精密數(shù)字電橋測定所制備材料的介電常數(shù)-溫度譜，并根據(jù)介電常數(shù)峰值確定居里溫度。采用ZJ-2d33測試儀，在保溫20℃的恒溫箱中測定所制備材料的d33數(shù)值。
1.將摩爾比為1∶1∶2的硝酸鉍、硝酸鉀和鈦酸四丁酯，分別溶解于乙酸、去離子水及乙醇中，然后將三種溶液混合并攪拌均勻，將所制得的溶膠烘干，獲得凝膠。取4g凝膠粉加入到80ml 4M氫氧化鉀的水溶液中，攪拌，裝入密閉的100ml反應(yīng)釜中，在140℃下晶化24h，晶化產(chǎn)物經(jīng)抽濾后，用去離子水洗滌，干燥，即得粉體a。將粉體a在100MPa壓力下進(jìn)行等靜壓處理，成型成直徑為12mm的圓柱狀樣品。然后，將此成型體在氧氣氛下于1000℃，保溫2h燒成得到陶瓷。對陶瓷的上下表面進(jìn)行研磨拋光。進(jìn)而，通過絲網(wǎng)印刷將銀漿涂敷在陶瓷的上下表面并燒滲銀電極。最后，在保溫120℃的硅油中，通過加3kV/mm的直流電場30min，進(jìn)行極化處理，得到壓電陶瓷a。
2.將摩爾比為1∶1∶2的硝酸鉍、硝酸鉀和鈦酸四丁酯，分別溶解于乙酸、去離子水及乙醇中，然后將三種溶液混合并攪拌均勻，將所制得的溶膠烘干，獲得凝膠，取4g凝膠粉加入到80ml 10M氫氧化鉀的水溶液中，攪拌，裝入密閉的100ml反應(yīng)釜中，在140℃下晶化24h，晶化產(chǎn)物經(jīng)抽濾后，用去離子水洗滌，干燥，即得粉體b。將粉體b在150MPa壓力下進(jìn)行等靜壓處理，成型成直徑為12mm的圓柱狀樣品。然后，將此成型體在氧氣氛下于1050℃，保溫4h燒成得到陶瓷。對陶瓷的上下表面進(jìn)行研磨拋光。進(jìn)而，通過絲網(wǎng)印刷將銀漿涂敷在陶瓷的上下表面并燒滲銀電極。最后，在保溫120℃的硅油中，通過加3kV/mm的直流電場30min，進(jìn)行極化處理，得到壓電陶瓷b。
3.將摩爾比為1∶1∶2的硝酸鉍、硝酸鉀和鈦酸四丁酯，分別溶解于乙酸、去離子水及乙醇中，然后將三種溶液混合并攪拌均勻，將所制得的溶膠烘干，獲得凝膠，取4g凝膠粉加入到80ml 10M氫氧化鉀的水溶液中，攪拌，裝入密閉的100ml反應(yīng)釜中，在200℃下晶化24h，晶化產(chǎn)物經(jīng)抽濾后，用去離子水洗滌，干燥，即得粉體c。將粉體c在150MPa壓力下進(jìn)行等靜壓處理，成型成直徑為12mm的圓柱狀樣品。然后，將此成型體在氧氣氛下于1100℃，保溫2h燒成得到陶瓷。對陶瓷的上下表面進(jìn)行研磨拋光。進(jìn)而，通過絲網(wǎng)印刷將銀漿涂敷在陶瓷的上下表面并燒滲銀電極。最后，在保溫120℃的硅油中，通過加3kV/mm的直流電場30min，進(jìn)行極化處理，得到壓電陶瓷c。
4.將摩爾比為1∶1∶2的硝酸鉍、硝酸鉀和鈦酸四丁酯，分別溶解于乙酸、去離子水及乙醇中，然后將三種溶液混合并攪拌均勻，將所制得的溶膠烘干，獲得凝膠，取4g凝膠粉加入到80ml 10M氫氧化鉀的水溶液中，攪拌，裝入密閉的100ml反應(yīng)釜中，在200℃下晶化48h，晶化產(chǎn)物經(jīng)抽濾后，用去離子水洗滌，干燥，即得產(chǎn)物d。將粉體d在200MPa壓力下進(jìn)行等靜壓處理，成型成直徑為12mm的圓柱狀樣品。然后，將此成型體在氧氣氛下于1100℃，保溫4h燒成得到陶瓷。對陶瓷的上下表面進(jìn)行研磨拋光。進(jìn)而，通過絲網(wǎng)印刷將銀漿涂敷在陶瓷的上下表面并燒滲銀電極。最后，在保溫120℃的硅油中，通過加3kV/mm的直流電場30min，進(jìn)行極化處理，得到壓電陶瓷d。
表1為壓電陶瓷實(shí)施例的具體參數(shù)表。
表1

權(quán)利要求
1.一種無鉛壓電陶瓷K0.5Bi0.5TiO3納米線的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)按摩爾比1∶1∶2稱量的硝酸鉍、硝酸鉀和鈦酸四丁酯，分別依次溶解于乙酸中、去離子水中及乙醇中，然后將三種溶液混合并攪拌均勻，制成溶膠；(2)將上述溶膠烘干，獲得凝膠粉；(3)將上述凝膠粉加入到4～10M氫氧化鉀的水溶液中，攪拌均勻后，裝入密閉的反應(yīng)釜中；(4)在上述密閉的反應(yīng)釜中140～200℃下晶化24～48h；(5)經(jīng)上述晶化后抽濾，用去離子水洗滌，干燥，即得所需產(chǎn)物。
2.一種無鉛壓電陶瓷K0.5Bi0.5TiO3燒結(jié)體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟在氧氣氛下燒制上述產(chǎn)物K0.5Bi0.5TiO3納米線，等靜壓成型壓力100MPa-200MPa，燒成溫度為1000℃～1100℃，保溫時(shí)間為2～4h。
全文摘要
本發(fā)明屬壓電陶瓷領(lǐng)域。傳統(tǒng)合成K
文檔編號C04B35/622GK1762898SQ20051009833
公開日2006年4月26日 申請日期2005年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月9日
發(fā)明者侯育冬, 侯磊, 朱滿康, 汪浩, 宋雪梅, 嚴(yán)輝 申請人:北京工業(yè)大學(xué)