用不同粒径KNN粉体制备铌酸钾钠-钛酸铋钠（KNN-BNT）无铅压电复合厚膜的方法，将硝酸铋的乙二醇甲醚溶液、乙酸钠溶液以及钛酸四正丁酯混合溶液在80-100℃下搅拌后冷却至室温，得到钛酸铋钠先驱体溶胶；将碳酸钾、碳酸钠以及五氧化二铌球磨均匀，然后干燥压片，再烧结成铌酸钾钠坯体；将铌酸钾钠坯体球磨，得到铌酸钾钠粉体；将铌酸钾钠粉体和钛酸铋钠先驱体溶胶混合后加入聚乙烯吡咯烷酮，球磨均匀并搅拌，得到稳定的混合浆料，重复旋涂工艺-热处理工艺，得到呈现纯钙钛矿相结构的铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜。本发明专利技术能够有效降低厚膜的烧结温度，降低钠、铋元素的挥发，提高厚膜的介电、铁电、压电性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无机材料领域，涉及制备压电复合厚膜的方法，特别涉及用不同粒径KNN粉体制备铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜的方法。
技术介绍
鉴于含铅材料在制备、使用及废弃处理过程中给环境和人类健康造成的危害，对于材料无铅化的研究逐渐成为材料领域的主要研究发展方向。目前，具有钙钛矿结构的铌酸钾钠(分子式Ka5Naa5NbO3，简称KNN)基压电陶瓷因其具有高的压电性和高的居里温度而备受关注，但是采用传统的陶瓷烧结工艺很难制备出致密性好的纯的铌酸钾钠陶瓷体。钛酸铋钠(Bia5Naa5TiO3，简称BNT)因其在室温下强铁电性同样受到关注，但是纯的钛酸铋钠压电陶瓷存在矫顽场高、相变温度低的缺点，从而影响其实用化。压电厚膜(I 100微米)材料兼顾了薄膜(小于I微米)和块体(毫米级)的优点，工作电压低，工作频率范围宽，电性能接近块体材料，能够应用于高频声纳换能器、弹性声表面波器件、新型超声换能器、热释电红外传感器、微机械系统、微型马达和微型驱动器等。
技术实现思路
本专利技术提供了用不同粒径KNN粉体制备铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜的方法，该方法能够有效降低厚膜的烧结温度，降低钠、铋元素的挥发，制得的酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜的介电、铁电、压电性能均显著提高。 为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案包括以下步骤:I)制备钛酸铋钠先驱体溶胶:按照Bia5Naa5TiO3的化学计量比，将硝酸铋的乙二醇甲醚溶液、乙酸钠溶液以及钛酸四正丁酯混合溶液在80 100°C下搅拌，然后冷却至室温，得到澄清的钛酸铋钠先驱体溶胶；其中，所述硝酸铋的乙二醇甲醚溶液中硝酸铋过量0.5% 5%摩尔，乙酸钠溶液中的乙酸钠过量0.5% 10%摩尔；2)制备纳米级到亚微米级铌酸钾钠粉体:按照Ka5Naa5NbO3的化学计量比，将碳酸钾、碳酸钠以及五氧化二铌以无水乙醇为媒介混合球磨均匀，然后干燥、压片，将得到的压片在800 1100°C下烧结成具有钙钛矿结构的铌酸钾钠坯体；将具有钙钛矿结构的铌酸钾钠坯体球磨，得到纳米级到亚微米级铌酸钾钠粉体；3)制备混合浆料:将纳米级到亚微米级铌酸钾钠粉体和钛酸铋钠先驱体溶胶混合，然后加入与钛酸铋钠先驱体溶胶中钛酸铋钠等摩尔的聚乙烯吡咯烷酮作为稳定分散剂，球磨使铌酸钾钠粉体分散均匀，得到稳定的混合浆料；其中，铌酸钾钠粉体占混合浆料质量的20 80% ；4)采用旋涂工艺将混合浆料沉积在硅基底上，然后采用热处理工艺进行处理，重复旋涂工艺-热处理工艺，得到呈现纯钙钛矿相结构的铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜。所述的乙酸钠溶液是采用如下方法得到的:将无水乙酸钠溶于乙二醇甲醚中，同时滴加作为催化剂的冰醋酸，室温搅拌均匀，得到乙酸钠溶液。所述的钛酸四正丁酯混合溶液是采用如下方法得到的:将钛酸四正丁酯和乙酰丙酮溶于乙二醇甲醚中，室温磁力搅拌均匀，得到钛酸四正丁酯混合溶液；其中，钛酸四正丁酯和乙酰丙酮的摩尔比为1:2。所述的步骤2)中球磨具有钙钛矿结构的铌酸钾钠坯体的方法是行星球磨和/或高能球磨。所述的步骤2)中具有钙钛矿结构的铌酸钾钠坯体经过高能球磨后在700 800°C下回火处理2小时。所述的步骤3)中铌酸钾钠粉体是采用不同粒径范围的铌酸钾钠粉体与钛酸铋钠先驱体溶胶混合。所述的不同粒径范围的铌酸钾钠粉体是指纳米级铌酸钾钠粉体和亚微米级铌酸钾钠粉体。所述的步骤4)中旋涂的转速为3000转/分钟，旋涂时间为30 50秒。所述的步骤4)中热处理工艺为:先在150°C 200°C保温3分钟，然后在350°C 450°C保温3 10分钟 ，再650°C 750°C退火3 5分钟。所述的步骤4)重复旋涂工艺-热处理工艺直到得到的铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜的厚度为I 10 μ m。优选的，所述的步骤I)中的用乙二醇甲醚调整钛酸铋钠先驱体溶胶的浓度为0.45mol/L。优选的，所述的步骤2)纳米级到亚微米级的铌酸钾钠粉体的粒径范围在12纳米-1微米。优选的，所述的步骤3)球磨后得到的浆料经过超声分散和磁力搅拌。优选的，用不同粒径KNN粉体制备铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜的方法，包括以下步骤:I)制备钛酸铋钠先驱体溶胶:按照Bia5Naa5TiO3的化学计量比，将硝酸铋的乙二醇甲醚溶液、乙酸钠溶液以及钛酸四正丁酯混合溶液在80 100°C下搅拌，然后冷却至室温，得到澄清的钛酸铋钠先驱体溶胶；其中，所述硝酸铋的乙二醇甲醚溶液中硝酸铋过量2%摩尔，乙酸钠溶液中的乙酸钠过量10%摩尔；2)制备纳米级到亚微米级铌酸钾钠粉体:按照Ka5Naa5NbO3的化学计量比，将碳酸钾、碳酸钠以及五氧化二铌以无水乙醇为媒介混合球磨均匀，然后干燥、压片，将得到的压片在1000°c下烧结成具有钙钛矿结构的铌酸钾钠坯体；将具有钙钛矿结构的铌酸钾钠坯体球磨，得到纳米级到亚微米级铌酸钾钠粉体；3)制备混合浆料:将纳米级到亚微米级铌酸钾钠粉体和钛酸铋钠先驱体溶胶混合，然后加入与钛酸铋钠先驱体溶胶中钛酸铋钠等摩尔的聚乙烯吡咯烷酮作为稳定分散剂，球磨使铌酸钾钠粉体分散均匀，得到稳定的混合浆料；其中，铌酸钾钠粉体占混合浆料质量的40 70% ；4)采用旋涂工艺将混合浆料沉积在硅基底上，然后采用热处理工艺进行处理，重复旋涂工艺-热处理工艺，得到呈现纯钙钛矿相结构的铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于:本专利技术制备出的铌酸钾钠-钛酸铋钠(KNN-BNT)无铅压电复合厚膜经X射线衍射(XRD)、阻抗分析仪以及铁电分析仪测试分析，确定具有以下性质:I)用纳米级到亚微米级铌酸钾钠粉体制备的铌酸钾钠-钛酸铋钠(KNN-BNT)无铅压电复合厚膜在回火处理后，相结构呈现钙钛矿结构，表明复合厚膜结晶完全；2)铌酸钾钠-钛酸铋钠(KNN-BNT)无铅压电复合厚膜膜层厚度为I 10 μ m。3)铌酸钾钠-钛酸铋钠(KNN-BNT)无铅压电复合厚膜的介电常数在400 850之间，介电损耗小于6%，矫顽场强2E。为80 250kV/cm，剩余极化强度2P,为7 35 μ C/cm2。进一步，本专利技术采用不同工艺得到的铌酸钾钠粉体的粒径范围在12nm-lym，其中直接采用行星球磨得到的KNN粉体粒径范围在五百纳米至一微米；经过高能球磨得到的KNN粉体粒径范围在十二纳米至二十几纳米左右；而高能球磨后经过700° C的低温回火处理后，KNN粉体粒径范围增长至二十纳米至四十纳米；高能球磨后经过800° C的高温回火处理后，KNN粉体粒径范围增长至在三百纳米至六百纳米左右。附图说明 图1为实施例1制备的铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜KNN40 (纳米粉体)的XRD图；图2为实施例1制备的铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜KNN40 (纳米粉体)的介电损耗谱； 图3为实施例1制备的铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜KNN40 (纳米粉体)的电滞回线；图4为实施例2制备的铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜KNN40 (亚微米粉体)的XRD图；图5为实施例2制备的铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜KNN40 (亚微米粉体)的介电损耗谱；图6为实施例2制备的铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜KNN40 (亚微米粉体)的电滞回线；图7为实施例3制备的铌酸本文档来自技高网...
【技术保护点】
用不同粒径KNN粉体制备铌酸钾钠?钛酸铋钠无铅压电复合厚膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）制备钛酸铋钠先驱体溶胶：按照Bi0.5Na0.5TiO3的化学计量比，将硝酸铋的乙二醇甲醚溶液、乙酸钠溶液以及钛酸四正丁酯混合溶液在80～100℃下搅拌，然后冷却至室温，得到澄清的钛酸铋钠先驱体溶胶；其中，所述硝酸铋的乙二醇甲醚溶液中硝酸铋过量0.5%～5%摩尔，乙酸钠溶液中的乙酸钠过量0.5%～10%摩尔；2）制备纳米级到亚微米级铌酸钾钠粉体：按照K0.5Na0.5NbO3的化学计量比，将碳酸钾、碳酸钠以及五氧化二铌以无水乙醇为媒介混合球磨均匀，然后干燥、压片，将得到的压片在800～1100℃下烧结成具有钙钛矿结构的铌酸钾钠坯体；将具有钙钛矿结构的铌酸钾钠坯体球磨，得到纳米级到亚微米级铌酸钾钠粉体；3）制备混合浆料：将纳米级到亚微米级铌酸钾钠粉体和钛酸铋钠先驱体溶胶混合，然后加入与钛酸铋钠先驱体溶胶中钛酸铋钠等摩尔的聚乙烯吡咯烷酮作为稳定分散剂，球磨使铌酸钾钠粉体分散均匀，得到稳定的混合浆料；其中，铌酸钾钠粉体占混合浆料质量的20～80%；4）采用旋涂工艺将混合浆料沉积在硅基底上，然后采用热处理工艺进行处理，重复旋涂工艺?热处理工艺，得到呈现纯钙钛矿相结构的铌酸钾钠?钛酸铋钠无铅压电复合厚膜。...
【技术特征摘要】
1.用不同粒径KNN粉体制备铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜的方法，其特征在于，包括以下步骤: O制备钛酸铋钠先驱体溶胶: 按照Bia5Naa5TiO3的化学计量比，将硝酸铋的乙二醇甲醚溶液、乙酸钠溶液以及钛酸四正丁酯混合溶液在80 100°C下搅拌，然后冷却至室温，得到澄清的钛酸铋钠先驱体溶胶；其中，所述硝酸铋的乙二醇甲醚溶液中硝酸铋过量0.5% 5%摩尔，乙酸钠溶液中的乙酸钠过量0.5% 10%摩尔； 2)制备纳米级到亚微米级铌酸钾钠粉体: 按照Ka5Naa5NbO3的化学计量比，将碳酸钾、碳酸钠以及五氧化二铌以无水乙醇为媒介混合球磨均匀，然后干燥、压片，将得到的压片在800 1100°C下烧结成具有钙钛矿结构的铌酸钾钠坯体；将具有钙钛矿结构的铌酸钾钠坯体球磨，得到纳米级到亚微米级铌酸钾钠粉体； 3)制备混合衆料: 将纳米级到亚微米级铌酸钾钠粉体和钛酸铋钠先驱体溶胶混合，然后加入与钛酸铋钠先驱体溶胶中钛酸铋钠等摩尔的聚乙烯吡咯烷酮作为稳定分散剂，球磨使铌酸钾钠粉体分散均匀，得到稳定的混合浆料；其中，铌酸钾钠粉体占混合浆料质量的20 80% ； 4)采用旋涂工艺将混合浆料沉积在硅基底上，然后采用热处理工艺进行处理，重复旋涂工艺-热处理工艺，得到呈现纯钙钛矿相结构的铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜。2.根据权利要求1所述的用不同粒径KNN粉体制备铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜的方法，其特征在于 ，所述的乙酸钠溶液是采用如下方法得到的:将无水乙酸钠溶于乙二醇甲醚中，同时滴加作为催化剂的冰醋酸，室温搅拌均勻，得到乙酸钠溶液。3.根据权利要求1所述的用不同粒径KNN粉体制备铌酸钾钠-钛酸铋钠无铅压电复合厚膜的方法，其特征在于，所述的钛酸四正丁酯混合溶液是采用如下方法得到的:将钛酸...
【专利技术属性】
技术研发人员：任巍，纪红芬，史鹏，吴小清，王玲艳，赵金燕，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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