一种用预处理后的五氧化二铌制备铌锆酸钾钠铋铁的方法技术

本发明专利技术公开了一种用预处理后的五氧化二铌制备铌锆酸钾钠铋铁及其制备方法，该方法包含：(1)将正交相的Nb2O5升温至700～1000℃保温；(2)按通式称量混合、球磨、烘烤，升温至800～950℃保温；(3)加入粘结剂，造粒、压制，于700～950℃排粘结剂，升温至1150～1200℃保温，再降温至1050～1100℃烧结；(4)刷银浆，于700～800℃烧结，极化得到铌锆酸钾钠铋铁陶瓷。本发明专利技术解决了现有技术中的压电性能、应变温度稳定性不佳的问题。本发明专利技术使用预处理的Nb2O5作为原料，优化了工艺参数，所制得的铌锆酸钾钠铋铁陶瓷的压电性能与应变温度稳定性均有了显著提升。著提升。著提升。

【技术实现步骤摘要】
一种用预处理后的五氧化二铌制备铌锆酸钾钠铋铁的方法


[0001]本专利技术属于无铅压电陶瓷
，具体涉及一种用预处理后的五氧化二铌制备铌锆酸钾钠铋铁及其制备方法。

技术介绍

[0002]压电材料由于其内部晶格的不对称性，可以作为机械能以及电能相互转化的媒介，被广泛运用到各种电子器件中，并发挥着重要的作用。压电铁电陶瓷具有制备简单、成本低廉和可靠性高等优点，其应用在航空航天，军工以及信息等领域。目前，应用最为广泛的压电陶瓷是以Pb(Zr1‑
x
Ti
x
)O3(PZT)为代表的铅基压电陶瓷体系。但是，PZT基陶瓷中使用的Pb的含量约为原料总量的60％～70％，而Pb的毒性以及易挥发性在生产、使用及废弃后处理过程中都会给生态环境和人类健康造成严重损害。因此，发展对环境友好的无铅压电陶瓷成为当前压电材料研究的热点之一。
[0003]铌酸钾钠(K,Na)NbO3(KNN)是一种钙钛矿结构的压电材料，常规方法制备的纯KNN基陶瓷的压电常数d
33
仅为80pC/N左右。室温下在KNN基无铅压电陶瓷中添加三方或四方诱导物构建新型相界，其本质是将KNN基陶瓷的相变点移动至室温附近，获得高的压电性能。KNN基陶瓷中构建的新型相界为多晶型相界，不仅有组分依赖性，还具有温度依赖性。因此，从室温到小于居里温度T
C
的温度范围内，存在另一个多晶型相变是导致KNN基压电陶瓷温度稳定性差的本质原因。而组分敏感性、温度稳定性差是阻碍KNN基陶瓷进一步生产化的主要原因。
[0004]因此，为了能够解决无铅压电陶瓷的应用问题，需要降低KNN基陶瓷的组分敏感性的同时，使其保持良好的温度稳定性。现如今，铌锆酸钾钠铋铁陶瓷是KNN基压电陶瓷研究中的主流体系，但其压电性能与应变温度稳定性均不佳。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种用预处理后的五氧化二铌制备铌锆酸钾钠铋铁及其制备方法，解决了现有技术中的压电性能、应变温度稳定性不佳的问题。本专利技术使用预处理的Nb2O5作为原料，所制得的铌锆酸钾钠铋铁陶瓷的压电性能与应变温度稳定性均有了显著提升。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种用预处理后的五氧化二铌制备铌锆酸钾钠铋铁的方法，该方法包含：
[0007](1)将正交相的Nb2O5升温至700～1000℃，保温，使Nb2O5由正交相往单斜相转变，得到预处理的Nb2O5；Nb2O5原料是KNN基陶瓷中使用量最多的原料，其晶体结构会对KNN基陶瓷的性能有至关重要的影响；
[0008](2)将碳酸钾、碳酸钠、氧化铋、氧化铁、氧化锆和步骤(1)经预处理的Nb2O5按通式(K
0.4275
Na
0.5475
Bi
0.025
Fe
0.008
)Nb
0.95
Zr
0.05
O3进行称量混合，进行球磨，干燥，升温至800～950℃保温，得到铌锆酸钾钠铋铁陶瓷预烧后粉体；
[0009]在合成的KNN基陶瓷中，掺入的铁和锆可以有效的调控KNN基陶瓷的相界温度，有助于构建室温下多相共存，提高KNN基陶瓷常温下压电性能。。
[0010](3)在步骤(2)得到的铌锆酸钾钠铋铁陶瓷预烧后粉体中加入粘结剂混合后，造粒，压制成坯体，于700～950℃排除粘结剂(排除成型后坯体中的粘结剂保温2～3小时，为了将粘结剂完全排除，在下一步烧结前使坯体获得一定的机械强度，且不会对后续烧结过程造成不利影响)，然后升温至1150～1200℃烧结，再降温至1050～1100℃烧结，制成铌锆酸钾钠铋铁陶瓷片；
[0011]烧结是制备陶瓷样品最重要的阶段，其主要目的是致密化。在烧结初期，物质颗粒通过不断扩散迁移，形成陶瓷骨架；烧结中期，陶瓷晶粒开始长大，大晶粒吞并小晶粒，填充孔隙；在烧结后期，通过消除残存气孔使织构完整化。由于KNN基陶瓷体系对烧结温度具有非常高的敏感性，其烧结温度范围十分狭窄，烧结温度过高或过低都会造成陶瓷片的气孔增大，降低陶瓷体系的机械和电学性能。
[0012](4)在步骤(3)制成的铌锆酸钾钠铋铁陶瓷片表面刷上银浆，于700～800℃烧结，进行极化，得到铌锆酸钾钠铋铁陶瓷(K
0.4275
Na
0.5475
Bi
0.025
Fe
0.008
)Nb
0.95
Zr
0.05
O3。
[0013]优选地，步骤(1)的保温的时间为2～4h，保温时间过短，Nb2O5结构转化不完全；过长没有明显变化。
[0014]优选地，步骤(2)中球磨是以200～350r/min的转速进行10～15小时。
[0015]在制备过程中，使用行星球磨会大幅度提高研磨效率。若研磨时间过短会引起研磨不充分，原料混合不均匀；若研磨时间过长，研磨效率反而会降低，细度的增加会趋于缓慢，还会引入大量的杂质(锆球是行星球磨介质，过长时间会引入ZrO2粉末)。以及球磨机的转速越大，粉碎效率越高，但当转速过高时就会引入锆球杂质。
[0016]优选地，步骤(2)中保温的时间为6h。
[0017]优选地，步骤(3)中粘结剂为5～10wt％的聚乙烯醇溶液，压制的压强为10～15MPa，坯体的厚度为0.8～1.2mm。
[0018]更优选地，坯体为圆形，其的直径为10～15mm、厚度为1.0mm。
[0019]成型是压电陶瓷制备工艺中对性能影响较大的一步，其中坯体烧结后体积会发生收缩，其收缩量与坯体的大小、含水量、粘结剂浓度以及成型压力有关。成型压力的大小直接影响坯体的密度和收缩率，若成型压力小，产品体积密度也小，坯体收缩大；若成型压力过大，陶瓷坯体容易出现裂纹、分层和脱模困难等现象。
[0020]优选地，步骤(3)中1150～1200℃烧结的时间为5～10min，1050～1100℃烧结的时间为2～4小时。烧结时间过短，陶瓷晶粒生长未充分进行，孔隙较多；烧结时间过长，K、Na、Bi等元素挥发较多，偏离实际化学比。
[0021]优选地，步骤(4)中银浆的浓度为5～15wt％，烧结的时间为10～15min。烧结主要是去除银浆中的有机物，使陶瓷圆片被银，若时间过短不仅有机物去除不干净，而且被银不完全。
[0022]优选地，步骤(4)中极化是在20～50℃的硅油浴中进行的，极化的电压为2～5kV/mm。
[0023]在压电陶瓷制备过程中，极化工艺是关键工艺，极化过程是压电陶瓷中畴结构运动和发展的过程。极化后的压电陶瓷其压电性能与极化程度有关，场强、极化油浴温度过高
或低均不能使压电陶瓷具有很高的极化程度，不充分发挥其潜在的压电性能。
[0024]优选地，步骤(4)中保持极化电压(2～5kV/mm)的时间为5～30min。
[0025]本专利技术一种如所述的用预处理后的五氧化二铌制备铌锆酸钾钠铋铁的方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用预处理后的五氧化二铌制备铌锆酸钾钠铋铁的方法，其特征在于，该方法包含：(1)将正交相的Nb2O5升温至700～1000℃，保温，使Nb2O5由正交相往单斜相转变，得到预处理的Nb2O5；(2)将碳酸钾、碳酸钠、氧化铋、氧化铁、氧化锆和步骤(1)经预处理的Nb2O5按通式(K
0.4275
Na
0.5475
Bi
0.025
Fe
0.008
)Nb
0.95
Zr
0.05
O3进行称量混合，球磨，干燥，升温至800～950℃，保温，得到铌锆酸钾钠铋铁陶瓷预烧后粉体；(3)在步骤(2)得到的铌锆酸钾钠铋铁陶瓷预烧后粉体中加入粘结剂混合后，造粒，压制成坯体，于700～950℃排除粘结剂，然后升温至1150～1200℃烧结，再降温至1050～1100℃烧结，制成铌锆酸钾钠铋铁陶瓷片；(4)在步骤(3)制成的铌锆酸钾钠铋铁陶瓷片表面刷上银浆，于700～800℃烧结，进行极化，得到铌锆酸钾钠铋铁陶瓷(K
0.4275
Na
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Bi
0.025
Fe
0.008
)Nb
0.95
Zr
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O3。2.根据权利要求1所述的用预处理后的五氧化二铌制备铌锆酸钾钠铋铁的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢洁，韩瑞麟，朱建国，谭智，谢李旭，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：