專利名稱：多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無鉛壓電陶瓷粉體的制備技術(shù)，特別涉及一種用于獲得多組元堿金 屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷的陶瓷粉體的制備方法，屬于功能陶瓷材料及環(huán)境協(xié)調(diào)性壓電 陶瓷領(lǐng)域。
二背景技術(shù)：
當(dāng)前，堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷以其相對優(yōu)越的壓電性能和較高居里溫度倍受 關(guān)注。隨著摻雜、取代改性工作的不斷深入，以及制備工藝的逐步成熟，采用傳統(tǒng)陶瓷 制備工藝在實驗室條件下得到了各項性能指標(biāo)較以往優(yōu)異的堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電 陶瓷，如陶瓷樣的壓電常數(shù)W33)己達到314-362pC/N，平面機電耦合系數(shù)Up)為0.4S 左右。值得一提的是，要實現(xiàn)堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷從實驗室研究到企業(yè)實際生 產(chǎn)，單就制備技術(shù)這一層面來講，還有許多問題需要解決，如(1)以相對于無水乙醇 更具環(huán)境協(xié)調(diào)性的純水作溶劑來制備堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉料；(2)如何在不
影響所制備的陶瓷性能的前提下，通過一些可產(chǎn)業(yè)化的改進有效降低合成、燒結(jié)溫度， 從而到達節(jié)能降耗的目的；(3)開發(fā)成本相對較低、性能穩(wěn)定和實用性好的新型堿金屬 鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷配方；(4)如何把實驗室的研究成果轉(zhuǎn)化為規(guī)模生產(chǎn)中可靠重現(xiàn) 的技術(shù)。因此，探索低能耗、低成本、可實用化的堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉體的 制備技術(shù)是目前國際上研究的一個熱點和難點。
目前，傳統(tǒng)的固相合成堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉體其反應(yīng)溫度通常需要在約 850-90(TC才能完成，若能開發(fā)一種可在較低溫度下就能合成堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電 陶瓷粉體的方法，從而達到既節(jié)能降耗的目的，又能使制備的堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電 陶瓷各項指標(biāo)具有良好的性能，無疑具有重要意義。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明方法正是為了彌補現(xiàn)有的堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉體制備工藝不足 提出的。本發(fā)明克服了現(xiàn)有的堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉體制備上的需高溫合成的 缺點，提出一種在不影響制備堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷性能的前提下，有效降低堿 金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉料的合成溫度來達到節(jié)能降耗的目的。
3本發(fā)明方法采用的技術(shù)方案是為在初始原料中添加活性碳作為預(yù)燒增強劑，然后 在較低溫度條件下合成具備有良好壓電活性的多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉 體。本發(fā)明的制備方法其燒結(jié)溫度適中，這不僅可節(jié)能降耗；而且獲得的陶瓷粉體制備 的鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷具有相組成單一，微結(jié)構(gòu)致密；其介電、壓電和鐵電性能良好。 為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用以下措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實現(xiàn)的。 本發(fā)明多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉體的制備方法，包括以下工藝步驟
(1) 按照一類多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷的配方稱量原料，在陶瓷初始 原料中添加活性碳作為預(yù)燒增強劑，添加活性碳的量用awtW來表示，其中a為活性碳 的量占初始原料總重量的百分比，所添加活性碳的用量為5%《a《10%;
(2) 將上述添加了活性碳的原料經(jīng)充分球磨混和后，裝入剛玉坩堝內(nèi)，在450 °C 溫度下煅燒，再保溫5-6個小時，即合成為添加了活性碳的具備良好壓電活性的多組元 堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉體；
(3) 將預(yù)燒后合成的陶瓷粉末采用常規(guī)制備陶瓷方法，即再經(jīng)過二次球磨，添加 粘結(jié)劑，成型，排塑，最后在1050—1150'C溫度下燒結(jié)2-3小時，將燒結(jié)好的陶瓷片被 銀電極后在100-120'C的硅油中，施加4-5 kV/mm的直流電場，極化20-30分鐘，靜置 24小時后，即獲得相組成單一、微結(jié)構(gòu)致密的多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷；
(4) 最后采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)測量所制備的陶瓷樣品的各種電學(xué)性能。 上述技術(shù)方案中，所述壓電陶瓷初始原料主要為Na2C03，或K2C03，或Li2C03，
或Nb20s，或Sb203。
本發(fā)明具有如下的特點和有益的技術(shù)效果
本發(fā)明方法在陶瓷初始原料中添加預(yù)燒增強劑活性碳，在較低溫度條件下合成了具 備有良好壓電活性的多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉體。
本發(fā)明方法提供的陶瓷粉體進而制備的多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷，其相 組成單一，微結(jié)構(gòu)致密。
本發(fā)明方法合成的陶瓷粉體的合成溫度適中，要低于傳統(tǒng)固相合成反應(yīng)溫度 400-450 'C，因此可達到節(jié)能降耗的目的。
本發(fā)明與采用傳統(tǒng)制備工藝得到的陶瓷粉體來制作的具有同一組分的壓電陶瓷相 比較，利用本發(fā)明方法得到的陶瓷粉體來制作的壓電陶瓷，其介電、壓電和鐵電性能均 具有很好的可比性，有的陶瓷的壓電鐵電性能甚至還有較大幅度的改善或提高。 四

以下的附圖中，傳統(tǒng)固相制備的陶瓷粉體KNN-1，其使用溫度為850 °C，保溫時間 5小時；添加活性碳預(yù)燒增強劑制備的陶瓷粉體KNN-2，其使用溫度為45(TC，保溫時
間5小時。
圖1本發(fā)明添加活性碳預(yù)燒增強劑制備的KNN陶瓷粉體及相應(yīng)陶瓷的XRD圖譜; 圖2本發(fā)明添加活性碳預(yù)燒增強劑制備的KNN陶瓷粉體的掃描電鏡照片； 圖3本發(fā)明實施例1添加活性碳預(yù)燒增強劑制備的與傳統(tǒng)工藝制備的不同陶瓷粉體 進而制備KNN陶瓷的XRD圖譜；
圖4本發(fā)明實施例1不同陶瓷粉體和不同制備工藝制得的KNN陶瓷表面的SEM照
片；
圖5本發(fā)明實施例1不同陶瓷粉體和不同制備工藝制得的KNN陶瓷的電滯回線； 圖6本發(fā)明實施例2不同陶瓷粉體和不同制備工藝制得的0.95(Ko.48Nao.52)Nb03—
0.05LiSbO3 (KNNLS)陶瓷的XRD圖譜；
圖7本發(fā)明實施例2不同陶瓷粉體和不同制備工藝制得的0.95(Ko.48Nao.52)Nb03 —
0.05LiSbO3 (KNNLS)陶瓷表面的SEM照片；
圖8本發(fā)明實施例2不同陶瓷粉體和不同制備工藝制得的0.95(Ko.48Nao.52)Nb03 — 0.05LiSbO3 (KNNLS)陶瓷的電滯回線；
圖9本發(fā)明實施例3不同陶瓷粉體和不同制備工藝制得的Ka475Nao.525Nba95Sb。.0503 (KNNS)陶瓷的XRD圖譜；
圖IO本發(fā)明實施例3不同陶瓷粉體和不同制備工藝制得的Ko.475Nao.525Nb().95Sbo.0503
(KNNS)陶瓷表面的SEM照片；
圖11本發(fā)明實施例3不同陶瓷粉體和不同制備工藝制得的KQ.475Nao.525Nbo.95Sb0.0503
(KNNS)陶瓷的電滯回線；
圖12本發(fā)明實施例4不同陶瓷粉體和不同制備工藝制得的KNN陶瓷的XRD圖譜； 圖13本發(fā)明實施例4不同陶瓷粉體和不同制備工藝制得的KNN陶瓷表面的SEM 照片；
圖14本發(fā)明實施例4不同粉體和不同制備工藝制得的KNN陶瓷的電滯回線。 五具體實施例方式
下面通過具體實施例及獲得的結(jié)果圖片或照片對本發(fā)明作進一步的祥細(xì)說明，但并 不意味著對本發(fā)明內(nèi)容的任何限制。
本發(fā)明堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉體的制備，其陶瓷初始原料可以釆用Na2C03、 K2C03、 Li2C03、 Nb205、 81>203等為主要基料，然后按照基料與添加活性碳的 百分比重量添加活性碳，經(jīng)充分球磨混和后在改進工藝溫度450 'C條件下預(yù)燒，獲得陶 瓷粉體，再采用常規(guī)陶瓷制備方法制得具有良好的介電、壓電和鐵電性能的多組元堿金 屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷。
下面是本發(fā)明針對幾種堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷的配方的實例，對未添加活性 碳作為預(yù)燒增強劑和添加了活性碳作為預(yù)燒增強劑所制備的陶瓷粉體進而制備的堿金 屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷的介電、壓電和鐵電性能參數(shù)的對比。
實施例1
按以下比例稱量原料..Na2C03 (13.62 wt%)、 K2C03 (17.90 wt%)、 Nb205 (68.48 wt%) 、 5wt。/。的活性碳，經(jīng)充分球磨混和后，裝入剛玉坩堝內(nèi)，在450 'C溫度下預(yù)燒， 保溫時長為5個小時；預(yù)燒后合成的陶瓷粉末再經(jīng)過二次球磨，添加粘結(jié)劑，成型，排 塑，最后在1100'C下燒結(jié)2小時。將燒結(jié)好的陶瓷片在被銀電極后在100'C的硅油中， 施加4kV/mm的直流電場，極化20分鐘，再靜置24小時后；采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)測量 Ka5Nao.5Nb03陶瓷樣品的各種電學(xué)性能如下表所示
rf33(pC/N)*p ￡r 0m tan3Pr CMC/cm1) ￡c(kV/mm) 傳統(tǒng)粉體工藝(850"C,5h)制備 940.34 426 102.6 0.036 22.40 0.773
添加活性碳的粉體工藝(450 TC， 5 h)制 116 0.37 336 242.6 0.034 23.10 0.677
實施例2
按以下比例稱量原料Na2C03 (13.50 wt%)、 K2C03 (16.38 wt%)、 Nb205 (65.31 wt%)、 Li2C03 (0.98 wt%)、 Sb205 (3.83 wt%) 、 5wt。/。的活性碳，經(jīng)充分球磨混和后，裝入剛玉 坩堝內(nèi)，在450'C溫度下預(yù)燒，保溫時長為5個小時；預(yù)燒后合成的粉末再經(jīng)過二次球 磨，添加粘結(jié)劑，成型，排塑，最后在1055 'C下燒結(jié)2小時。將燒結(jié)好的陶瓷片在被 銀電極后在IOO'C的硅油中，施加4kV/mm的直流電場，極化20-分鐘，再靜置24小時 后；采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)測量0.95(Ko.48Nao.52)Nb03—0.05LiSbO3陶瓷樣品的各種電學(xué)性能如 下表所示
KpC/N)*p fir ft taiu i rCMC/cm2) ￡c(kV/n n) 傳統(tǒng)粉體工藝(850 C，5h)制備 215 0.431218 50.1 0.028 23.30 0.764
添加活性碳的粉體工藝(450TC，5h)制備 254 0,39 1183 49.6 0.026 22.30 0.952 實施例3
按以下比例稱量原料Na2C03 (14.27 wt%)、 K2C03 (16.97 wt%)、 Nb205 (64.95 wt%)、Sb205 (3.81 wt%) 、 10wt。/。的活性碳，經(jīng)充分球磨混和后，裝入剛玉坩堝內(nèi)，在450 。C 溫度下預(yù)燒，保溫時長為6個小時；預(yù)燒后合成的粉末再經(jīng)過二次球磨，添加粘結(jié)劑， 成型，排塑，最后在1150'C下燒結(jié)3小時。將燒結(jié)好的陶瓷片在被銀電極后在120 'C的 硅油中，施加5kV/mm的直流電場，極化30分鐘，再靜置24小時后；采用正EE標(biāo)準(zhǔn) 測量Ko.475Nao.525Nb,Sb,03陶瓷樣品的各種電學(xué)性能如下表所示
rfM(pC/N) *P & gm tanrf Pr0*C/cm2) ￡t(kV/mm) 傳統(tǒng)粉體工藝(850 TC，5h)制備 1520.407511500.03120.10 0.764
添加活性碳的粉體工藝(450 TC，5h)制備 1700.387321410.02917.31 0.770
實施例4
按以下比例稱量原料Na2C03 (13.62 wt%)、 K2C03 (17.90 wt%)、 Nb2Os (68.48 wt%)、 10wt。/。的活性碳，經(jīng)充分球磨混和后，裝入剛玉坩堝內(nèi)，在45(TC溫度下預(yù)燒，保溫時 長為6個小時；預(yù)燒后合成的粉末再經(jīng)過二次球磨，添加粘結(jié)劑，成型，排塑，最后在 1100'C下燒結(jié)3小時。將燒結(jié)好的陶瓷片在被銀電極后在12(TC的硅油中，施加5kV/mm 的直流電場，極化30分鐘，再靜置24小時后；采用正EE標(biāo)準(zhǔn)測量Ko.sNao.5Nb03陶瓷 樣品的各種電學(xué)性能如下表所示
rf33(pC/N)*p er fl tan<5戶r(HC/cin1) ￡c(kV/mm) 傳統(tǒng)粉體工藝(850TC，5h)制備 940.34 426 102.6 0.036 22.40 0.773
添加活性碳的粉體工藝(450"C,5h)制備 100 0.32 58585.60.041 23.30 0.731
本發(fā)明通過上述四個實施例的結(jié)果測量發(fā)現(xiàn)，采用在陶瓷初始原料中添加活性碳作 為預(yù)燒增強劑制備的多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉體進而制作的該無鉛壓電 陶瓷，與采用傳統(tǒng)制備工藝制得的陶瓷粉體來制作的具有同一組分的無鉛壓電陶瓷相比 較，本發(fā)明陶瓷的相組成單一，微結(jié)構(gòu)致密；其次，本發(fā)明的介電、壓電和鐵電性能與 傳統(tǒng)制備工藝所得陶瓷的相應(yīng)參數(shù)性能均具有很好的可比性；本發(fā)明有的陶瓷的壓電鐵 電性能甚至還有較大幅度的改善或提高。
權(quán)利要求
1. 一種多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉體的制備方法，其特征在于包括以下工藝步驟(1)按照多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷的配方，稱量原料，在陶瓷初始原料中添加活性碳作為預(yù)燒增強劑，添加活性碳的量用a wt％來表示，其中a為活性碳的量占陶瓷初始原料總重量的百分比，所添加活性碳的用量為5％≤a≤10％；(2)將上述添加了活性碳的原料經(jīng)充分球磨混和后，裝入剛玉坩堝內(nèi)，在450℃溫度下預(yù)燒，再保溫5-6個小時，即合成為添加了活性碳的具備良好壓電活性的多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉體；(3)將預(yù)燒后合成的陶瓷粉末采用常規(guī)制備陶瓷方法，即再經(jīng)過二次球磨，添加粘結(jié)劑，成型，排塑，最后在1050—1150℃溫度下燒結(jié)2-3小時，將燒結(jié)好的陶瓷片被銀電極后在100-120℃的硅油中，施加4-5kV/mm的直流電場，極化20-30分鐘，靜置24小時后，即獲得相組成單一、微結(jié)構(gòu)致密的多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷；(4)最后采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)測量所制備的陶瓷樣品的各種電學(xué)性能。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉體的制備方法， 其特征在于所述壓電陶瓷初始原料為Na2C03，或K2C03, 或Li2C03，或Nb205,或 Sb203。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉體的制備方法，屬于環(huán)境協(xié)調(diào)性壓電陶瓷領(lǐng)域。傳統(tǒng)固相反應(yīng)合成多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉體，其合成溫度通常要在約850-900℃才能完成。本發(fā)明通過在陶瓷初始原料中添加活性碳作為預(yù)燒增強劑，添加量用a wt％表示，其中a為添加活性碳的量占原料總重量的百分比，為5％≤a≤10％；原料球磨混和后在450℃合成具有良好壓電活性的多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷粉體；該粉體制備的多組元堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷具有相組成單一，微結(jié)構(gòu)致密，及良好介電，壓電和鐵電性能。本發(fā)明的方法對于壓電陶瓷粉體生產(chǎn)領(lǐng)域的節(jié)能降耗具有重要而現(xiàn)實的意義。
文檔編號C04B35/626GK101508566SQ20091005870
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者萍 余, 勇 孫, 朱建國, 肖定全, 雷 陸 申請人:四川大學(xué)