專利名稱：鈮酸鉀鈉壓電陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷的制備方法，特別是一種鈮酸鉀鈉壓電陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
世界鐵電學(xué)大師Eric Cross曾撰文“以鋯鈦酸鉛作為基質(zhì)的壓電陶瓷取得了極大的成功；但其最終會(huì)由于環(huán)境保護(hù)舉措的加強(qiáng)而逐漸消亡，壓電陶瓷最終無(wú)鉛化”。以PZT 壓電陶瓷為例，氧化鉛占其原料含量的60%以上，在制備、使用及廢棄后處理中都會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。因此，無(wú)鉛壓電陶瓷材料成為研究的熱點(diǎn)。在無(wú)鉛壓電陶瓷中，鈮酸鹽系無(wú)鉛壓電陶瓷是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)，其中鈮酸鈉鉀(KNN)基無(wú)鉛壓電陶瓷以其相對(duì)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(shí)驗(yàn)室條件下得到了各項(xiàng)性能指標(biāo)較以往優(yōu)異的 KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷，如陶瓷樣的壓電常數(shù)(d33)已達(dá)到314 328pC/N，平面機(jī)電耦合系數(shù) (kp)為0. 48左右，有很好的研究前景。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，要求電子元器件向輕薄短小的方向發(fā)展，陶瓷的制備也由塊材向薄層狀材料方向發(fā)展。但是有關(guān)鈮酸鉀鈉陶瓷主要成型方法主要是壓制成型， 模板晶粒生長(zhǎng)法，所制備的陶瓷以塊材為主等，難以適應(yīng)電子元器件微型化的需求；而新興的制備方法有聚合物前驅(qū)體法，水熱法，溶膠-凝膠法，制備成鈮酸鉀鈉薄膜的致密度不高，性能研究主要集中在電光性能等發(fā)面。文獻(xiàn)“Howatt G N, Method of producing high-dielectric high-insulation ceramic plates :US，2582993 [P]，1952-10-06” 報(bào)道 Howatt等首次用流延法來(lái)生產(chǎn)陶瓷片層電容器。該工藝過(guò)程穩(wěn)定，可連續(xù)操作，便于自動(dòng)化生產(chǎn)，近年來(lái)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)片式電子元器件及厚薄膜電路基片等電子陶瓷行業(yè)，然而有關(guān)流延成型工藝在鈮酸鉀鈉壓電陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的方法制備的鈮酸鉀鈉陶瓷體積大的不足，本發(fā)明提供一種鈮酸鉀鈉壓電陶瓷的制備方法。該方法研究了分散劑用量、粘結(jié)劑用量、球磨時(shí)間、漿料固相體積分?jǐn)?shù)以及增塑劑與粘結(jié)劑的質(zhì)量比對(duì)漿料流變性能的影響，通過(guò)優(yōu)化流延漿料組分的各種配比，并綜合考慮流延片的平整性、致密性和均勻收縮性，得出適合鈮酸鉀鈉流延成型的最佳配方，并尋求其最佳燒結(jié)溫度，得到性能優(yōu)異就鈮酸鉀鈉壓電陶瓷厚膜。通過(guò)流延制備的鈮酸鉀鈉壓電陶瓷，在保持傳統(tǒng)方法制備的陶瓷較高居里溫度，較高介電常數(shù)等高性能的同時(shí)，可以縮小材料的體積，更加適應(yīng)電子元器件微型化的需求。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案一種鈮酸鉀鈉壓電陶瓷的制備方法， 其特點(diǎn)是包括以下步驟(a)按化學(xué)計(jì)量比KxNai_xNb03 (0 ^ χ ^ 1)配制所需原料；(b)將所配制原料在無(wú)水乙醇介質(zhì)中用行星球磨機(jī)球磨8 12h，將濕料在70 120°C下烘干；(c)將烘干料壓成柱狀，在電爐中750 950°C煅燒2 他得到鈮酸鉀鈉陶瓷粉體；(d)將陶瓷粉體研細(xì)，按照漿料總的質(zhì)量百分比添加25 35%的溶劑及0. 5 1. 5%的分散劑，用行星球磨機(jī)球磨18 30h混合均勻；(e)添加2 3%的粘結(jié)劑、5 8%的增塑劑和1 2%的均化劑，繼續(xù)球磨18 30h混合成漿料；(f)將制得的漿料攪拌，抽真空除泡3 Smin，靜置3 Smin ；(g)調(diào)節(jié)流延機(jī)上刮刀高度至0. 2 0. 5mm,將所制備的漿料在流延機(jī)上流延成型坯體，坯體干燥20 40min后進(jìn)行裁剪；(h)裁剪后的生坯置于冷等靜壓機(jī)中等靜壓200MPa/90s ；⑴將生坯置于電爐中500 700°C下排膠10 40min，繼續(xù)升溫在1070°C 1120°C下燒結(jié)1 4h，得到鈮酸鉀鈉壓電陶瓷。所述溶劑是乙醇與二甲苯或正丁醇任兩種。所述分散劑是三油酸甘油酯。所述粘結(jié)劑是聚乙二醇-20000。所述增塑劑是鄰苯二甲酸二正辛酯和聚乙烯醇縮丁醛。所述均化劑是環(huán)己烷。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，該方法研究了分散劑用量、粘結(jié)劑用量、球磨時(shí)間、漿料固相體積分?jǐn)?shù)以及增塑劑與粘結(jié)劑的質(zhì)量比對(duì)漿料流變性能的影響，通過(guò)優(yōu)化流延漿料組分的各種配比，并綜合考慮流延片的平整性、致密性和均勻收縮性，得出適合鈮酸鉀鈉流延成型的最佳配方，并尋求其最佳燒結(jié)溫度，得到性能優(yōu)異就鈮酸鉀鈉壓電陶瓷厚膜。通過(guò)流延制備的鈮酸鉀鈉壓電陶瓷，在保持了傳統(tǒng)方法制備的陶瓷較高居里溫度，較高介電常數(shù)等高性能的同時(shí)，縮小了材料的體積，更加適應(yīng)電子元器件微型化的需求。


圖1是本發(fā)明鈮酸鉀鈉壓電陶瓷的制備方法流程圖。圖2是實(shí)施例1制備的鈮酸鉀鈉壓電陶瓷在IkHz時(shí)的介電損耗溫譜。圖3是實(shí)施例2所制備鈮酸鉀鈉壓電陶瓷的SEM照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 制備鈮酸鉀鈉壓電陶瓷所用原料純度=K2CO3為99%、Na2CO3為99. 8%、 Nb2O5為99. 9%。根據(jù)設(shè)計(jì)配方組分Ka5^fea5NbO3的組成，按化學(xué)計(jì)量比計(jì)算配IOg鈮酸鉀鈉粉體所需各氧化物質(zhì)量，稱量，在無(wú)水乙醇介質(zhì)中用行星球磨機(jī)球磨》1，將濕料在80°C 下烘干。然后將烘干粉料壓成柱狀，在850°C下煅燒2. 得到鈮酸鉀鈉陶瓷粉體。將陶瓷粉體用研缽研細(xì)，添加溶劑(乙醇8ml，二甲苯iaiil)及分散劑(三油酸甘油酯0. 5ml), 用行星球磨機(jī)球磨24h混合均勻，繼續(xù)添加粘結(jié)劑(聚乙二醇-20000,0. 5878g)、增塑劑 (鄰苯二甲酸二正辛酯0.6ml、聚乙烯醇縮丁醛0.85g)和均化劑(環(huán)己烷0.細(xì)1)，繼續(xù)球磨24h混合，將制得的漿料攪拌，抽真空除泡5min，靜置5min，流延，干燥，裁剪，冷等靜壓O00MPa/90s)，再于600°C下排膠30min。再在1090°C下于燒結(jié)池成瓷，程序降溫冷卻。得到致密的鈮酸鉀鈉壓電陶瓷厚膜。對(duì)陶瓷表面進(jìn)行處理，涂覆銀電極，在550°C燒銀30min。 然后分析測(cè)試。經(jīng)測(cè)量，流延成型的鈮酸鉀鈉厚膜在1090°C下燒結(jié)池成瓷，得到較為致密的鈮酸鉀鈉陶瓷。所制備的鈮酸鉀鈉陶瓷的主晶相為正交鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。在室溫下，頻率為IkHz 時(shí)，其相對(duì)介電常數(shù)達(dá)7244，介電損耗也較低；與傳統(tǒng)成型方法制備的鈮酸鉀鈉陶瓷相比， 其居里溫度較傳統(tǒng)方法制備的陶瓷)有小幅度升高至428°C。保持了鈮酸鉀鈉陶瓷較高介電常數(shù)，較高居里溫度等高性能的同時(shí)，縮小了材料體積。實(shí)施例2 制備鈮酸鉀鈉壓電陶瓷所用原料純度=K2CO3為99%、Na2CO3為99. 8%、 Nb2O5為99. 9 %。根據(jù)設(shè)計(jì)配方組分Ka 5Na0.5Nb03的組成，按化學(xué)計(jì)量比計(jì)算配20g鈮酸鉀鈉粉體所需各氧化物質(zhì)量，稱量，在無(wú)水乙醇介質(zhì)中用行星球磨機(jī)球磨10h，將濕料在70°C下烘干。然后將烘干粉料壓成柱狀，在950°C下煅燒池得到鈮酸鉀鈉陶瓷粉體。將陶瓷粉體用研缽研細(xì)，添加溶劑(乙醇19ml，正丁醇1. Oml)及分散劑(三油酸甘油酯1. Oml)，用行星球磨機(jī)球磨1 混合均勻，繼續(xù)添加粘結(jié)劑(聚乙二醇-20000，1. 18g)、增塑劑(鄰苯二甲酸二正辛酯1. anl、聚乙烯醇縮丁醛1. 9g)和均化劑(環(huán)己烷1. Oml)，繼續(xù)球磨1 混合，將制得的漿料攪拌，抽真空除泡3min，靜置3min，流延，干燥，裁剪，冷等靜壓O00MPa/90s)， 再于500°C下排膠40min。再在1200°C下于燒結(jié)Ih成瓷，程序降溫冷卻。得到致密的鈮酸鉀鈉壓電陶瓷厚膜。對(duì)陶瓷表面進(jìn)行處理，涂覆銀電極，在550°C燒銀20min。然后分析測(cè)試ο經(jīng)測(cè)量，所制備的鈮酸鉀鈉陶瓷的主晶相為正交鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。觀察圖3所示SEM 照片，可以看到晶粒發(fā)育飽滿，尺寸均勻，氣孔較少；在室溫下，頻率為IkHz時(shí)，其相對(duì)介電常數(shù)達(dá)6692，介電損耗也較低；與傳統(tǒng)成型方法制備的鈮酸鉀鈉陶瓷相比，其居里溫度有小幅度升高至425°C。保持了鈮酸鉀鈉陶瓷較高介電常數(shù)，提高了居里溫度等高性能，進(jìn)一步縮小了材料體積。實(shí)施例3 制備鈮酸鉀鈉壓電陶瓷所用原料純度=K2CO3為99%、Na2CO3為99. 8%、 Nb2O5為99. 9 %。根據(jù)設(shè)計(jì)配方組分Ka 5Na0.5Nb03的組成，按化學(xué)計(jì)量比計(jì)算配15g鈮酸鉀鈉粉體所需各氧化物質(zhì)量，稱量，在無(wú)水乙醇介質(zhì)中用行星球磨機(jī)球磨12h，將濕料在120°C 下烘干。然后將烘干粉料壓成柱狀，在750°C下煅燒他得到鈮酸鉀鈉陶瓷粉體。將陶瓷粉體用研缽研細(xì)，添加溶劑(乙醇15ml，正丁醇0. 7ml)及分散劑(三油酸甘油酯0. 5ml)，用行星球磨機(jī)球磨30h混合均勻，繼續(xù)添加粘結(jié)劑(聚乙二醇-20000,0. 95g)、增塑劑(鄰苯二甲酸二正辛酯0. 8ml、聚乙烯醇縮丁醛1. 3g)和均化劑(環(huán)己烷0. 6ml)，繼續(xù)球磨30h混合，將制得的漿料攪拌，抽真空除泡8min，靜置8min，流延，干燥，裁剪，冷等靜壓O00MPa/90s)， 再于700°C下排膠lOmin。再在1070°C下于燒結(jié)4h成瓷，程序降溫冷卻。得到致密的鈮酸鉀鈉壓電陶瓷厚膜。對(duì)陶瓷表面進(jìn)行處理，涂覆銀電極，在550°C燒銀lOmin。然后分析測(cè)試ο經(jīng)測(cè)量，所制備的鈮酸鉀鈉陶瓷的主晶相為正交鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。在室溫下，頻率為 IkHz時(shí)其相對(duì)介電常數(shù)達(dá)6584，介電損耗也較低，與傳統(tǒng)成型方法制備的鈮酸鉀鈉陶瓷相比，其居里溫度有較大幅度升高至436°C。保持了鈮酸鉀鈉陶瓷較低損耗，較高介電常數(shù)，較高居里溫度等高性能的同時(shí)，縮小了材料體積。
權(quán)利要求
1.一種鈮酸鉀鈉壓電陶瓷的制備方法，其特征在于包括下述步驟(a)按化學(xué)計(jì)量比KxNai_xNb03(0 ^ χ ^ 1)配制所需原料；(b)將所配制原料在無(wú)水乙醇介質(zhì)中用行星球磨機(jī)球磨8 12h，將濕料在70 120°C 下烘干；(c)將烘干料壓成柱狀，在電爐中750 950°C煅燒2 他得到鈮酸鉀鈉陶瓷粉體；(d)將陶瓷粉體研細(xì)，按照漿料總的質(zhì)量百分比添加25 35%的溶劑及0.5 1. 5% 的分散劑，用行星球磨機(jī)球磨18 30h混合均勻；(e)添加2 3%的粘結(jié)劑、5 8%的增塑劑和1 2%的均化劑，繼續(xù)球磨18 30h 混合成漿料；(f)將制得的漿料攪拌，抽真空除泡3 8min，靜置3 Smin；(g)調(diào)節(jié)流延機(jī)上刮刀高度至0.2 0. 5mm，將所制備的漿料在流延機(jī)上流延成型坯體，坯體干燥20 40min后進(jìn)行裁剪；(h)裁剪后的生坯置于冷等靜壓機(jī)中等靜壓200MPa/90s；(i)將生坯置于電爐中500 700°C下排膠10 40min，繼續(xù)升溫在1070°C 1120°C 下燒結(jié)1 4h，得到鈮酸鉀鈉壓電陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮酸鉀鈉壓電陶瓷的制備方法，其特征在于所述溶劑是乙醇與二甲苯或正丁醇任兩種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮酸鉀鈉壓電陶瓷的制備方法，其特征在于所述分散劑是三油酸甘油酯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮酸鉀鈉壓電陶瓷的制備方法，其特征在于所述粘結(jié)劑是聚乙二醇-20000。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮酸鉀鈉壓電陶瓷的制備方法，其特征在于所述增塑劑是鄰苯二甲酸二正辛酯和聚乙烯醇縮丁醛。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮酸鉀鈉壓電陶瓷的制備方法，其特征在于所述均化劑是環(huán)己烷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈮酸鉀鈉壓電陶瓷的制備方法，用于解決現(xiàn)有的方法制備的鈮酸鉀鈉陶瓷體積大的技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)方案是研究了分散劑用量、粘結(jié)劑用量、球磨時(shí)間、漿料固相體積分?jǐn)?shù)以及增塑劑與粘結(jié)劑的質(zhì)量比對(duì)漿料流變性能的影響，通過(guò)優(yōu)化流延漿料組分的各種配比，并綜合考慮流延片的平整性、致密性和均勻收縮性，得出適合鈮酸鉀鈉流延成型的最佳配方，并尋求其最佳燒結(jié)溫度，得到性能優(yōu)異就鈮酸鉀鈉壓電陶瓷厚膜。通過(guò)流延制備的鈮酸鉀鈉壓電陶瓷，在保持了傳統(tǒng)方法制備的陶瓷較高居里溫度，較高介電常數(shù)等高性能的同時(shí)，縮小了材料的體積，更加適應(yīng)電子元器件微型化的需求。
文檔編號(hào)C04B35/495GK102173798SQ20111003056
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月27日
發(fā)明者樊慧慶, 譚曉惠 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)