專利名稱：一種合成納米鉭鈮酸鉀鈉粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功能陶瓷領(lǐng)域，特別涉及一種超聲輔助水熱法合成納米鉭鈮酸鉀鈉 ((K，Na) (Nb, Ta)O3)壓電陶瓷粉體的方法。
背景技術(shù)：
鉛基鐵電壓電陶瓷在生產(chǎn)、使用和廢棄處理過(guò)程中會(huì)給生態(tài)環(huán)境造成損害，鉛污染已成為人類公害之一。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需求，研究新型環(huán)境友好的鐵電壓電陶瓷已經(jīng)成為世界各國(guó)研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)之一。制備無(wú)鉛鐵電壓電陶瓷的前提是合成優(yōu)質(zhì)的粉體，尤其是納米級(jí)(小于IOOnm)鐵電壓電陶瓷粉體，而以納米級(jí)(小于IOOnm)鐵電壓電陶瓷粉體作為原材料，對(duì)于制備高性能陶瓷較為有利。鈮酸鉀鈉((K，Na) NbO3, KNN)系無(wú)鉛壓電陶通過(guò)摻雜改性而具有較好的壓電性能， 被認(rèn)為是最有希望替代鋯鈦酸鉛O^bCTi，Zr)O3, PZT)系壓電陶瓷的無(wú)鉛壓電陶瓷體系之一，但以目前的性能指標(biāo)，尚不具備良好的綜合機(jī)電性能。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，公開(kāi)號(hào)為CN101186338的中國(guó)專利公開(kāi)了一種水熱合成鉭摻雜的鈮酸鉀鈉無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法，其特征在于采用氫氧化鈉、氫氧化鉀、 五氧化二鈮、五氧化二鉭為原料，溫度范圍為200 250°C，保溫時(shí)間為20 36小時(shí)，水熱合成了鉭摻雜的鈮酸鉀鈉壓電陶瓷粉體；五氧化二鈮和五氧化二鉭固體氧化物的加入總量與堿液的摩爾比為1 10 1 25，五氧化二鉭和五氧化二鈮的加入量摩爾比1 9 4 6 ；氫氧化鈉，氫氧化鉀溶液配比是1 4 1 6，堿液濃度為4 lOmol/L。合成的粉體直徑約為幾百個(gè)納米左右。但該方法尚不能合成納米(小于IOOnm)粉體，合成時(shí)間較長(zhǎng)(彡20小時(shí))，溫度較高(彡2000C ) 0檢索中還發(fā)現(xiàn)，公開(kāi)號(hào)為CN101475376的中國(guó)專利公開(kāi)了一種微波水熱合成鈮酸鉀鈉無(wú)鉛壓電陶瓷粉體的方法，特征是以NaOH、KOH溶液和Nb2O5為反應(yīng)物，采用微波水熱技術(shù)合成KXNal-XNbO3 (0 < χ < 1)陶瓷粉體，NaOH和KOH 濃度為5 llmol/L，相對(duì)于60ml NaOH和KOH溶液，Nb2O5加入量為0. 01 0. 02摩爾，反應(yīng)溫度為110 180°C，保溫時(shí)間為5 12小時(shí)。合成的粉體直徑約為幾百個(gè)納米左右。 該方法仍然未能合成納米粉體(小于IOOnm)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有方法無(wú)法合成鉭鈮酸鉀鈉納米粉體(小于IOOnm)的問(wèn)題，而提供一種超聲輔助水熱合成納米級(jí)鉭鈮酸鉀鈉粉體的方法。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)—種超聲輔助水熱合成納米級(jí)鉭鈮酸鉀鈉粉體的方法，具體包括如下步驟(1)將由氫氧化鈉和氫氧化鉀配制而成的堿液裝入超聲輔助水熱設(shè)備中，其中，氫氧化鈉與氫氧化鉀之間的摩爾比1 9 3 7，堿液濃度為6 lOmol/L;(2)將由五氧化二鈮和五氧化二鉭組成的固體氧化物加入到步驟(1)所述的堿液中進(jìn)行反應(yīng)，其中，固體氧化物的加入總量與堿液的摩爾比為1 10 1 75，五氧化二鉭和五氧化二鈮的加入量摩爾比1 10 1 2 ；反應(yīng)溫度為120 160°C，保溫時(shí)間為2 4小時(shí)；反應(yīng)完畢，待爐溫降至室溫后取出反應(yīng)液，反應(yīng)液經(jīng)過(guò)濾、離心、并多次洗滌后置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥，鼓風(fēng)干燥箱溫度為80°C，干燥6小時(shí)得鉭鈮酸鉀鈉納米粉體。
上述方法中，所述超聲輔助水熱設(shè)備的容積為1000ml，功率20KW，內(nèi)村為聚四氟乙烯，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)棒采用蘭杰文振子形式，為縱向振動(dòng)模態(tài)。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述的步驟(1)中，氫氧化鈉與氫氧化鉀之間的摩爾比優(yōu)選為3 7，堿液濃度優(yōu)選為lOmol/L。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述的步驟(2)中，固體氧化物的加入總量與堿液的摩爾比為1 75，五氧化二鉭和五氧化二鈮的加入量摩爾比為1 2。在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述的步驟(2)中，反應(yīng)溫度為120°C，保溫時(shí)間為4 小時(shí)。本發(fā)明的有益效果鉭鈮酸鉀鈉納米粉體使得體系的機(jī)電性能有較大幅度的提高，可用此來(lái)制備該體系無(wú)鉛壓電陶瓷，該陶瓷有望取代鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷，對(duì)環(huán)境更友好，生產(chǎn)工藝更環(huán)保，具有良好的商業(yè)價(jià)值。


圖1為本發(fā)明的超聲輔助水熱設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
具體實(shí)施例方式以下對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。下面實(shí)施例通過(guò)對(duì)比不同填料配比及不同反應(yīng)條件下合成的粉體粒度的變化，達(dá)到優(yōu)化反應(yīng)條件的目的。下面實(shí)施例所使用的超聲輔助水熱設(shè)備包括一個(gè)不銹鋼罐體1，在不銹鋼罐體1內(nèi)壁襯有聚四氟乙烯材料層2，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)棒3采用蘭杰文振子形式，為縱向振動(dòng)模態(tài)。實(shí)施例1 首先按照氫氧化鈉和氫氧化鉀摩爾比1 9、濃度6mol/L，配制堿液800ml，并裝入圖1所示的超聲輔助水熱設(shè)備中；然后按照五氧化二鉭和五氧化二鈮摩爾比1 10，以總量與堿液的摩爾比為 1 10，向上步的堿液中加入由五氧化二鈮和五氧化二鉭組成的固體氧化物；超聲輔助水熱設(shè)備功率20KW，反應(yīng)溫度為120°C，保溫時(shí)間為4小時(shí)。反應(yīng)完畢，待爐溫降至室溫后取出，經(jīng)過(guò)濾、離心、并多次洗滌后置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，干燥箱溫度為80°C， 干燥6小時(shí)得鉭鈮酸鉀鈉納米粉體。結(jié)果鉭鈮酸鉀鈉納米粉體粒度d5Q = 75nm。實(shí)施例2 首先按照氫氧化鈉和氫氧化鉀摩爾比1 9、濃度6mol/L，配制堿液800ml，并裝入圖1所示的超聲輔助水熱設(shè)備(如)；然后按照五氧化二鉭和五氧化二鈮摩爾比1 10，以總量與堿液的摩爾比為1 10，向上步的堿液中加入由五氧化二鈮和五氧化二鉭組成的周體氧化物；超聲輔助水熱設(shè)備功率20KW，反應(yīng)溫度為160°C，保溫時(shí)間為2小時(shí)。反應(yīng)完畢，待爐溫降至室溫后取出，經(jīng)過(guò)濾、離心、并多次洗滌后置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，干燥箱溫度為80°C， 干燥6小時(shí)得鉭鈮酸鉀鈉納米粉體。結(jié)果為鉭鈮酸鉀鈉納米粉體粒度d5Q = 90nm。實(shí)施例3 首先按照氫氧化鈉和氫氧化鉀摩爾比3 7、濃度10mol/L，配制堿液800ml，并裝入超聲輔助水熱設(shè)備(如圖1所示)；然后按照五氧化二鉭和五氧化二鈮摩爾比1 10，以總量與堿液的摩爾比為 1 10，向上步的堿液中加入由五氧化二鈮和五氧化二鉭組成的固體氧化物；超聲輔助水熱設(shè)備功率20KW，反應(yīng)溫度為120°C，保溫時(shí)間為4小時(shí)。反應(yīng)完畢，待爐溫降至室溫后取出，經(jīng)過(guò)濾、離心、并多次洗滌后置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，干燥箱溫度為80°C， 干燥6小時(shí)得鉭鈮酸鉀鈉納米粉體。結(jié)果為鉭鈮酸鉀鈉納米粉體粒度d5Q = 50nm。實(shí)施例4 首先按照氫氧化鈉和氫氧化鉀摩爾比3 7、濃度10mol/L，配制堿液800ml，并裝入超聲輔助水熱設(shè)備(如圖1所示)；然后按照五氧化二鉭和五氧化二鈮摩爾比1 10，以總量與堿液的摩爾比為 1 10，向上步的堿液中加入由五氧化二鈮和五氧化二鉭組成的固體氧化物；超聲輔助水熱設(shè)備功率20KW，反應(yīng)溫度為160°C，保溫時(shí)間為2小時(shí)。反應(yīng)完畢，待爐溫降至室溫后取出，經(jīng)過(guò)濾、離心、并多次洗滌后置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，干燥箱溫度為80°C， 干燥6小時(shí)得鉭鈮酸鉀鈉納米粉體。結(jié)果為鉭鈮酸鉀鈉納米粉體粒度d5(1 = 60nm。以上4個(gè)實(shí)施例中，合成鉭鈮酸鉀鈉粉體粒度最小也就是條件最優(yōu)的工藝參數(shù)為氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液配比是3 7、堿液濃度為lOmol/L，五氧化二鉭和五氧化二鈮摩爾比1 10，固體氧化物與堿液的摩爾比為1 10，反應(yīng)溫度為120°C，保溫時(shí)間為4小時(shí)。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種超聲輔助水熱合成納米級(jí)鉭鈮酸鉀鈉粉體的方法，其特征在于，具體包括如下步驟(1)將由氫氧化鈉和氫氧化鉀配制而成的堿液裝入超聲輔助水熱設(shè)備中，其中，氫氧化鈉與氫氧化鉀之間的摩爾比1 9 3 7，堿液濃度為6 lOmol/L;(2)將由五氧化二鈮和五氧化二鉭組成的固體氧化物加入到步驟(1)所述的堿液中進(jìn)行反應(yīng)，其中，固體氧化物的加入總量與堿液的摩爾比為1 10 1 75，五氧化二鉭和五氧化二鈮的加入量摩爾比1 10 1 2 ；反應(yīng)溫度為120 160°C，保溫時(shí)間為2 4 小時(shí)；反應(yīng)完畢，待爐溫降至室溫后取出反應(yīng)液，反應(yīng)液經(jīng)過(guò)濾、離心、并多次洗滌后置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥，鼓風(fēng)干燥箱溫度為80°C，干燥6小時(shí)得鉭鈮酸鉀鈉納米粉體。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲輔助水熱合成納米級(jí)鉭鈮酸鉀鈉粉體的方法，其特征在于，所述超聲輔助水熱設(shè)備的容積為1000ml，功率20KW，內(nèi)村為聚四氟乙烯，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)棒采用蘭杰文振子形式，為縱向振動(dòng)模態(tài)。
3.如權(quán)利要求1所述的超聲輔助水熱合成納米級(jí)鉭鈮酸鉀鈉粉體的方法，其特征在于，所述的步驟(1)中，氫氧化鈉與氫氧化鉀之間的摩爾比為3 7，堿液濃度為lOmol/L。
4.如權(quán)利要求1所述的超聲輔助水熱合成納米級(jí)鉭鈮酸鉀鈉粉體的方法，其特征在于，所述的步驟O)中，固體氧化物的加入總量與堿液的摩爾比為1 75，五氧化二鉭和五氧化二鈮的加入量摩爾比為1 2。
5.如權(quán)利要求1所述的超聲輔助水熱合成納米級(jí)鉭鈮酸鉀鈉粉體的方法，其特征在于，所述的步驟⑵中，反應(yīng)溫度為120°C，保溫時(shí)間為4小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種超聲輔助水熱合成納米級(jí)鉭鈮酸鉀鈉粉體的方法，包括如下步驟(1)將由氫氧化鈉和氫氧化鉀配制而成的堿液裝入超聲輔助水熱設(shè)備中；(2)將由五氧化二鈮和五氧化二鉭組成的固體氧化物加入到步驟(1)所述的堿液中進(jìn)行反應(yīng)。本發(fā)明的方法使得體系的機(jī)電性能有較大幅度的提高，可用此來(lái)制備該體系無(wú)鉛壓電陶瓷，該陶瓷有望取代鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷，對(duì)環(huán)境更友好，生產(chǎn)工藝更環(huán)保，具有良好的商業(yè)價(jià)值。
文檔編號(hào)C04B35/495GK102173797SQ20111003035
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者劉伯洋, 范春華, 陳海* 申請(qǐng)人:上海海事大學(xué)