一種納米反應(yīng)器引入納米燒結(jié)助劑常壓低溫?zé)Y(jié)制備鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無鉛壓電陶瓷領(lǐng)域，特別涉及一種納米反應(yīng)器引入納米燒結(jié)助劑常壓低溫?zé)Y(jié)制備鈮酸鉀鈉(NKN)基無鉛壓電陶瓷的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電陶瓷在信息、激光、生物等諸多高科技領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。目前商業(yè)化應(yīng)用主要集中在鋯鈦酸鉛(PbZr03_PbTi03，PZT)基多元系含鉛壓電陶瓷，PZT陶瓷中氧化鉛的含量超過原料總量的70%。隨著環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展理念的深入人心，開發(fā)環(huán)境友好型無鉛壓電陶瓷成為一項(xiàng)緊迫而具有重要科學(xué)意義的課題。
[0003]無鉛壓電陶瓷主要研究(Na，K)Nb03，(Bi, Na)Ti03和BaT1 3體系。其中NaNb03-KNb03 (NKN)體系和PZT體系相似，當(dāng)Na:K的摩爾比接近于1:1時(shí)，形成類似于PZT體系的準(zhǔn)同型相界，呈現(xiàn)較好的壓電性能，適合在換能器等功能器件上應(yīng)用。對(duì)于NKN基無鉛壓電陶瓷來說，致密度是決定壓電性能的關(guān)鍵因素，而燒結(jié)溫度是固相反應(yīng)法制備NKN基無鉛壓電陶瓷的技術(shù)關(guān)鍵。
[0004]但是，堿金屬離子Na、K容易揮發(fā)，通過傳統(tǒng)的陶瓷工藝(常壓燒結(jié))很難制備高致密度的NKN陶瓷，因此，需要采用熱壓燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)等高成本技術(shù)才能得到高致密度的NKN陶瓷。
[0005]放電等離子體燒結(jié)等高成本技術(shù)工藝復(fù)雜，對(duì)設(shè)備要求很高，難以獲得工業(yè)化應(yīng)用。為了通過傳統(tǒng)的陶瓷工藝制備高致密度的NKN基無鉛壓電陶瓷，各國學(xué)者通過添加燒結(jié)助劑、添加“第二組元”等制備NKN基無鉛壓電陶瓷，例如通過共摻雜LiSb03、LiTa03，在空氣氣氛中、1040°C燒結(jié)制備了具有較高密度和良好電學(xué)性能的NKN無鉛壓電陶瓷。然而，該工藝中燒結(jié)溫度依然居高不下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法制備多組分陶瓷時(shí)組分難以混合均勾，通過添加燒結(jié)助劑、添加“第二組元”等常壓制備NKN基無鉛壓電陶瓷燒結(jié)溫度仍然偏高的不足。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種納米反應(yīng)器引入納米燒結(jié)助劑常壓低溫制備鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的方法，該方法通過乳液聚合納米反應(yīng)器在NKN粉體表面均勻包覆納米燒結(jié)助劑(團(tuán)塊)Li (Sbi xTax) 03 (LSTO)，LST0兼具燒結(jié)助劑和“第二組元”的作用，實(shí)現(xiàn)常壓低溫?zé)Y(jié)制備NKN基無鉛壓電陶瓷，
[0008]本發(fā)明通過乳液聚合提高多組分混合的均勻性，均勻包覆的納米團(tuán)塊LST0兼具燒結(jié)助劑和“第二組元”的作用，實(shí)現(xiàn)在空氣氣氛中、NKN基無鉛壓電陶瓷的常壓燒結(jié)致密化；納米團(tuán)塊LST0引入了液相燒結(jié)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了低溫?zé)Y(jié)，克服了堿金屬元素在高溫下的揮發(fā)，從而低溫?zé)Y(jié)制備具有較高的致密度和良好的電學(xué)性能的NKN基陶瓷。
[0009]上述制備方法的具體步驟為:
[0010](1)通過傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法制備NKN，所得NKN用高能納米沖擊磨研磨成亞微米級(jí)前驅(qū)體；
[0011 ] (2)通過水熱法制備納米團(tuán)塊LST0的懸浮液，
[0012]其中，納米團(tuán)塊LST0的懸浮液的制備方法為，
[0013]按照化學(xué)式Li (Sbi xTax)03中的元素計(jì)量比稱量LiN03、Sb205、Ta205放入水熱釜中配制成水溶液，其中X = 0.48-0.52，填充率小于75%，加入L1H使其濃度達(dá)到6M，再加入表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨CTAB，在120°C水熱反應(yīng)36h，得到納米團(tuán)塊LST0的懸浮液；
[0014](3)通過乳液聚合納米反應(yīng)器將步驟⑵中得到的納米團(tuán)塊LST0均勻包覆在步驟
(1)中得到的亞微米級(jí)NKN粉體表面，
[0015]其中，將納米團(tuán)塊LST0均勻包覆在亞微米級(jí)NKN粉體表面的操作為:
[0016]A、將L1H、丙烯酰胺PAM、LiCl加入到蒸餾水中，磁力攪拌溶解完全，配制成水相溶液，
[0017]B、將司本-80加入到環(huán)己烷中，磁力攪拌溶解完全，配制成油相溶液，
[0018]C、將步驟A中得到的水相溶液和步驟B中得到的油相溶液混合，超聲粉碎后高能攪拌，得到乳液納米反應(yīng)器，
[0019]D、將步驟(1)中得到的亞微米級(jí)NKN前驅(qū)體、步驟⑵得到的納米團(tuán)塊LST0懸浮液加入到步驟C中得到的乳液納米反應(yīng)器中，磁力攪拌混合均勻并超聲粉碎后，加入引發(fā)劑偶氮二異丁腈AIBM，通氮?dú)?0分鐘后，水浴加熱65?75°C、反應(yīng)5h，得到乳液聚合納米團(tuán)塊LST0包覆的NKN ；
[0020](4)將步驟(3)中得到的納米團(tuán)塊LST0包覆的NKN粉體經(jīng)400°C煅燒后，添加聚乙烯醇(PVA)造粒、壓片，并在空氣氣氛中，常壓低溫?zé)Y(jié)(900?950°C燒結(jié)6?12h)制備
NKN基陶瓷。
[0021]本發(fā)明的有益效果在于:1)乳液聚合納米反應(yīng)器促進(jìn)了多組分的均勻混合，克服了傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法制備多組分陶瓷時(shí)組分難以混合均勻的不足；2)納米團(tuán)塊LST0均勻包覆在NKN粉體表面，兼具燒結(jié)助劑和“第二組元”的作用，能夠在空氣氣氛中、常壓低溫?zé)Y(jié)制備高密度的NKN基無鉛壓電陶瓷。
【附圖說明】
[0022]圖1為實(shí)施例1中水熱法制備的納米團(tuán)塊Li (Sb0.5Ta0.5) 03 (LST0)的XRD圖；
[0023]圖2為實(shí)施例1中水熱法制備的納米團(tuán)塊Li (Sb0.5Ta0.5) 03 (LST0)的SEM圖；
[0024]圖3為實(shí)施例1-3中，不同溫度燒結(jié)的NKN基陶瓷的XRD圖；
[0025]圖4為實(shí)施例1中925°C燒結(jié)的NKN陶瓷的P_E電滯回線。
【具體實(shí)施方式】
[0026]實(shí)施例1
[0027](1)通過傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法制備(Na。.5K0.5) Nb03 (NKN)，按計(jì)量比均勻混合Na2C03(>99.8% )、K2C03(>99.0% )、Nb205 (>99.5% )后壓片，875°C煅燒 12h，得到 NKN ;將制備的NKN粉碎后加入高能納米沖擊磨罐內(nèi)，以2mm、5mm、10mm的Zr02球作為研磨介質(zhì)，料球質(zhì)量比為1:3，2mm、5mm、10mm的Zr02球質(zhì)量比為5:2:1，以400次/min沖擊磨8h，得到亞微米NKN前驅(qū)體；
[0028](2)通過水熱法制備納米團(tuán)塊Li (Sb0.5Ta0.5)03(LST0)，具體步驟為:稱量計(jì)量比的LiN03、Sb205、Ta205放入水熱釜中配制成水溶液(濃度小于目標(biāo)產(chǎn)物2g/75ml)，填充率小于75%，加入L1H使其濃度達(dá)到6M，加入LST0質(zhì)量2.5wt%的十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，在120°C水熱反應(yīng)36h，自然冷卻，得到納米團(tuán)塊LST0的懸浮液；
[0029](3)通過乳液聚合納米反應(yīng)器將納米團(tuán)塊LST0均勻包覆在NKN粉體表面，具體步驟為:稱量L1H、丙烯酰胺(PAM)、LiCl加入蒸餾水中(L1H、PAM、LiCl、蒸餾水的質(zhì)量比為0.5:2:4:100)，磁力攪拌溶解完全，配制成水相溶液；稱量司本-80加入環(huán)己烷中(司本-80與環(huán)己烷的質(zhì)量比為5:100)，磁力攪拌溶解完全，配制成油相溶液，將水相溶液和油相溶液按照質(zhì)量比1:2混合，超聲粉碎后高能攪拌，得到乳液納米反應(yīng)器，
[0030]將步驟(1)中得到的亞微米NKN前驅(qū)體、步驟⑵中得到的納米團(tuán)塊LST0的懸浮液加入上述乳液納米反應(yīng)器中，控制LST0物質(zhì)的量為NKN的2.5mol%, NKN和LST0的質(zhì)量和為上述乳液質(zhì)量的10?丨％;磁力攪拌混合均勻后超聲粉碎，加入偶氮二異丁腈(AIBM)作為引發(fā)劑(AIBM與上述乳液的質(zhì)量比為0.15:100)，通氮?dú)?0分鐘后，水浴加熱至70°C、反應(yīng)5h，得到乳液聚合納米團(tuán)塊LST0包覆的NKN ;
[0031](4)將步驟⑶中得到的納米團(tuán)塊LST0包覆的NKN經(jīng)400°C煅燒2h后，添加包覆粉體總質(zhì)量2.5wt%的聚乙烯醇