微米级片状钛酸铋钠晶体的制备方法技术

微米级片状钛酸铋钠晶体及其制备方法，属于压电陶瓷技术领域。所述微米级片状钛酸铋钠晶体为长方形外形，长宽１０～１５μｍ，厚度为０．５μｍ。制备方法包括按三氧化二铋、二氧化钛摩尔比２∶３为原料与等总质量的ＮａＣｌ和ＫＣｌ的混合物球磨保温，制备片状钛酸铋晶体；与碳酸钠、二氧化钛混合保温，制备片状Ｎａ↓［０．５］Ｂｉ↓［４．５］Ｔｉ↓［４］Ｏ↓［１５］前驱体；与碳酸钠、二氧化钛混合保温，制备片状钛酸铋钠晶体。本发明专利技术ＮＢＴ晶体热稳定性好；与ＮＢＴ基体同质，有利于基体粉末沿种晶表面成核生长，极适合作为制ＮＢＴ基压电陶瓷的种晶。本发明专利技术的方法工艺简单，成本低廉，也提高了成品率，适于工业大批量生产；也为制备ＮＢＴ基压电陶瓷开辟了道路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制备微米级片状钛酸铋钠晶体的方法，用于反应模晶生长法制备织构化 压电陶瓷，属于压电陶瓷

技术介绍
锆钛酸铅(PZT)、铌镁酸铅(P脂T)的(100)切片单晶材料由于其优异的压电性能使其 在压电电源、传感器、超声、压电马达等领域有着广泛的应用。但是由于上述压电陶瓷的含 铅量比较大，这类陶瓷在生产、使用以及废弃物的处理过程中对人类和生态环境产生了很多 不利的影响。另外，尽管单晶由于各向异性而表现出优异的压电性能，但是由于其制备工艺 复杂，费用昂贵，单晶尺寸、大小和数量难以控制，从而限制了它的应用。因此，寻找高性能的无铅压电陶瓷材料和改进方法以提高压电陶瓷材料的性能成为当前 具有重大社会意义的课题。众多无铅压电陶瓷中，钛酸铋钠Na。.5Bi。.5Ti03 (NBT)是一种有很 大应用潜力的材料，熔融生长NBT单晶与BaTiO3在准同型相界附近的固溶体方向山3高 达450pC/N，其多晶体也有很好的性能。另一方面，从材料设计的方面考虑，可以控制晶体 中各晶面的晶粒取向和分布，得到性能良好的，接近单晶的各向异性的多晶体。织构化，是 提高多晶陶瓷压电性能一条行之有效的途径。反应模晶生长法(Reactive Templated Grain Growth, RTGG)是提高多晶体压电性能的 简单而有效的方法。RTGG方法是向陶瓷基体中加入少量种晶，通过流延(tape casting)将 种晶定向排列，然后通过热处理使基体晶粒延种晶定向生长，最终基体晶粒取向与种晶相同 而形成织构化多晶陶瓷。该方法制造工艺比生产普通多晶陶瓷并不复杂多少，生产成本比生 产单晶低很多，这使得工业化大量生产织构化无铅压电陶瓷成为可能。而在RTGG方法制备无 铅压电陶瓷过程中，高质量种晶的制备成为了其中最关键的技术之一。目前NBT基织构化无铅压电陶瓷使用的种晶为片状的钛酸铋或者钛酸锶。但是钛酸锶与 NBT的晶格常数有所失配，而且作为第二相物质引入NBT基体也会对其压电性能产生不利影 响。钛酸铋种晶由于在制备过程中加入量较大会使得NBT基压电陶瓷难以致密化。二者均有 不同程度的缺陷从而严重限制了其作为种晶的应用。因此，寻找一种更适合RTGG法制备NBT 基织构化无铅压电陶瓷的种晶及制备方法是提高NBT基陶瓷材料压电性能的关键技术。该种 晶体应该具有合适的晶体结构(最好与NBT基体同质)；合适的形状(过大或过小都不好，长 厚比大，lOXlOXlum较为适宜)；良好的热稳定性(不与基体反应，不与液相助烧剂反应)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种片状微米级钛酸铋钠晶体及一种简单有效的制备该片状微米 级钛酸铋钠晶体的方法。该种晶体为片状外形，具有立方或四方相钙钛矿结构，而且不会成 为NBT基陶瓷材料的第二相。本专利技术提供了一种片状微米级钛酸铋钠晶体，其特征在于，所述片状晶体为长方形外形， 长宽为10 15um，厚约为O. 5ym。本专利技术提供了一种通过熔盐法和拓扑化学法制备片状微米级钛酸铋钠晶体的方法。该方 法包括以下步骤-(1) 以三氧化二铋、二氧化钛为起始原料，按摩尔比为2: 3的配比混合。然后称量与 之总质量相等的NaCl和KC1的混合物，NaCl和KC1的摩尔比为1:1。将上述两种混合物球 磨混合并烘干后放入氧化铝坩埚，密封后在110(TC保温lh，烧成产物中的NaCl和KCl熔盐 用去热的离子水反复超声清洗，得到片状的钛酸铋(Bi;TiA2)种晶；(2) 将步骤(1)得到的钛酸铋种晶与碳酸钠、二氧化钛按l: 2: 5摩尔比混合。将三 者的混合物与NaCl按质量比l: l混合，108(TC保温3h，烧成产物中的NaCl熔盐用热去离 子水超声清洗，得到片状的NBIT (Naa5BUsTiA5)晶体；(3) 将步骤(2)得到NBIT晶体与碳酸钠、二氧化钛按l: 2: 5摩尔比混合，混合物与 NaCl按质量比1: 1混合，800 100(TC保温2 10h，产物中的NaCl熔盐用热去离子水清洗， 得到片状的NBT(Na。.5Bi。.5Ti03)晶体。本专利技术主要特点如下(1) 所制得的NBT种晶为片状外形，长度为15nm左右，厚度为0.5um左右，此种晶 体的热稳定性良好，llOO'C保温lh不会改变其形貌和性能。此种晶体与NBT基体同质，极适 合与作为制备NBT基压电陶瓷的种晶。此种形貌有利于基体粉末沿种晶表面成核生长，经过 烧结制备成高织构度高性能的压电陶瓷材料。(2) 所有的反应均在熔盐体系中进行，可以达到增加反应速度和降低反应温度的效果。(3) 反应(2)和(3)都是在丁酮溶剂下，起始原料与熔盐混合后，经过磁力搅拌，加 热烘干后进行的。(4) 反应生成的混合物中的熔盐需要经过热的去离子水在超声清洗的情况下除掉。(5) 本方法先使用熔盐法制备出具有片状外形的中间体，然后通过拓扑化学反应，在不 改变外形的情况下，将成分置换为所需的元素。本方法制备工艺简单，成本低廉，也提高了 成品率，适于工业大批量生产，也为反应模晶生长法制备织构化NBT基压电陶瓷开辟了道路。附图说明图1本专利技术制备方法过程示意图。图2是实例1中钛酸铋片状晶体的SEM照片。 图3是实例1中NBIT片状晶体的SEM照片。 图4是实例1中NBT片状晶体的SEM照片。图5是实例1中片状晶体的XRD谱图a为BiT， b为NBIT， c为950'C保温8h烧结得到 的NBT， d为测试其热稳定性1100。C/lh处理后的NBT。具体实施方式以下结合实施例进一步阐明本专利技术。图1本专利技术制备方法过程示意图。本专利技术制备具体过程分为三步。(1) 制备片状钛酸铋晶体将三氧化二铋、氧化钛按摩尔比为2: 3的配比混合。将NaCl和KC1以摩尔比为1: 1的配比混合。将两种混合物按质量比1: 1的配比混合。混合过程均使用尼龙球磨罐，氧化锆球，无水乙醇介质球磨8h,烘箱烘干。将上述混合物烘千成粉末后放入氧化铝坩埚，密封后在1100 匸保温lh。将烧成产物中置于热的去离子水反复超声清洗，将上层清液倒掉，以除掉烧成物 中的NaCl和KC]熔盐，下层沉淀烘干后得到片状的钛酸铋(Bi3TiA2)种晶，其形状如图2， 为圆片状外形，长宽为5 15um，厚度0.5um;(2) 制备片状Na。.5Bi^TiA5前驱体将步骤(1)得到的钛酸铋晶体与碳酸钠、二氧化钛按l: 2: 5摩尔比混合。将三者的混 合物与NaCl按质量比1: l混合。球磨混合并烘干后，108(TC保温3h。烧成产物中的NaCl 熔盐用热去离子水超声清洗除去，得到片状的NBIT (Na。.5BiJi",5)晶体，其形状如图3,为 圆片状外形，长宽约为15um，厚度0.5um;(3) 制备片状钛酸铋钠晶体将步骤(2)得到NBIT晶体与碳酸钠、二氧化钛按l: 2: 5摩尔比混合，混合物与NaCl 按质量比l: l混合。800 1000。C保温2 10h，产物中的NaCl熔盐用热去离子水清洗，得 到片状的NBT (Na。,5Bio.5Ti03)晶体，其形状如图4，为圆片状外形，长宽为10 15txm，厚度 0. 5ym。其XRD图谱如图5d，为钙钛矿结构。实施例1:一种制备片状微米级钛酸铋钠晶体的方法，其特征在于，该方法包括以下步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微米级片状钛酸铋钠晶体，其特征在于，所述微米级片状钛酸铋钠晶体为长方形外形，长宽为１０～１５μｍ，厚度为０．５μｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周和平，赵巍，严永科，刘丹，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]