專利名稱：溶膠凝膠法制備Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備無鉛壓電陶瓷納米粉體的方法。
背景技術(shù)：
鈦酸鋇是電子陶瓷元器件的基礎(chǔ)母體原料，被稱為電子陶瓷的支柱。由于它具有 高的介電常數(shù)，優(yōu)良的鐵電、壓電、耐壓和絕緣性能，被廣泛地應(yīng)用于體積小、容量大的微型 電容器、電子計(jì)算機(jī)記憶元件、壓電陶瓷等。特別是對(duì)于壓電陶瓷方面的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)壓電 陶瓷無鉛化，達(dá)到綠色環(huán)保的功能材料要求的優(yōu)選材料之一，但目前廣泛采用的傳統(tǒng)固相 燒結(jié)法制得的粉體粒徑分布范圍寬、純度低、摻雜元素不均勻、活性低、性能不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制得的粉體粒徑分布范圍寬、純度低、摻雜元 素不均勻、活性低、性能不穩(wěn)定的問題，而提供了膠凝膠法制備Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶 瓷納米粉體。 本發(fā)明溶膠凝膠法制備Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體按照以下步驟進(jìn) 行 一、依照化學(xué)式Zrx(Bi。.sNa。.5)。.94Ba。.。6TihA按照x : 0. 47 : 0.47 : 0. 06 : l_x 的摩爾比分別稱取Zr (N03)4 51120、純度為99 %的Bi (N03)3 5H20、 CH3C00Na 31120、濃度為 0. 05mol/L 0. 15mol/L的Ba(N03)2禾口 C16H3604Ti，其中0. 05 < x < 0. 2 ;
二、將步驟 一 稱取的Zr (N03) 4 5H20、 Bi (N03) 3 5H20和CH3C00Na 3H20溶解于 冰醋酸中，在40°C 5(TC條件下攪拌混合均勻，然后再加入將步驟一稱取的(:1611360411，在 60°C 8(TC條件下攪拌混合均勻，再加入將步驟一稱取的Ba(N03)2攪拌混合均勻，并加入 氨水條件pH至8 9，繼續(xù)攪拌28 32min，即得到混合溶液，其中Zr (N03) 4 5H20與冰醋 酸的質(zhì)量比為1 : 20 50 ; 三、向混合溶液中加入穩(wěn)定劑形成膠狀物，倒出膠狀物的上清液即得到凝膠，然后 用水清洗凝膠，其中，穩(wěn)定劑為乙二醇乙醚，混合溶液與穩(wěn)定劑的重量比為10 30 : 1 ;
四、清洗后的凝膠在80°C IO(TC條件下進(jìn)行真空干燥，然后在600°C 70(TC條 件下燒結(jié)90 160min，即得到的Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體。
本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點(diǎn) a、本發(fā)明的方法反應(yīng)條件均在低位條件下進(jìn)行，傳統(tǒng)固相方法需要在750°C 90(TC之間才能合成粉體，而本發(fā)明僅在600°C 70(TC條件下燒結(jié)就能合成粉體，燒結(jié)溫 度低； b、本發(fā)明的方法制得的Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體壓電常數(shù)機(jī)電耦 合系數(shù)高，與傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制得的粉體相比較，壓電系數(shù)c^提高了近20PC/N，機(jī)電耦合 系數(shù)kp值提高了 5%左右，本發(fā)明的方法制作得到的Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉 體性能穩(wěn)定；
c、本發(fā)明制作得到的Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體粒徑大小為0. 3 0. 6 ii m，粉體粒徑分布范圍小，純度為97. 5% 99% ，本發(fā)明制作得到的Zr (BiNa)BaTiO無 鉛壓電陶瓷納米粉體粒徑分布范圍小，純度高，陶瓷結(jié)構(gòu)致密性好，摻雜元素均勻，從本發(fā) 明制作得到的Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體的x射線衍射圖中可以看出本發(fā)明制 作得到的Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體活性高。


圖1為具體實(shí)施方式
九制作得到的Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體的x射 線衍射圖； 圖2為具體實(shí)施方式
九制作得到的Zr (BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體的電鏡 圖； 圖3為具體實(shí)施方式
十制作得到的Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體的x射 線衍射圖； 圖4為具體實(shí)施方式
十制作得到的Zr (BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體的電鏡 圖； 圖5為具體實(shí)施方式
i^一制作得到的Zr (BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體的x 射線衍射圖； 圖6為具體實(shí)施方式
i^一制作得到的Zr (BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體的電 鏡圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施方式
間的 任意組合。
具體實(shí)施方式
一 本實(shí)施方式溶膠凝膠法制備Zr (BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米 粉體按照以下步驟進(jìn)行 一、依照化學(xué)式Zrx(Bi。.sNa。.5)。.94Ba。.。6TihA按照x : 0. 47 : 0.47 : 0. 06 : l_x 的摩爾比分別稱取Zr (N03)4 51120、純度為99 %的Bi (N03)3 5H20、 CH3C00Na 31120、濃度為 0. 05mol/L 0. 15mol/L的Ba(N03)2禾口 C16H3604Ti，其中0. 05 < x < 0. 2 ;
二、將步驟 一 稱取的Zr (N03) 4 5H20、 Bi (N03) 3 5H20和CH3C00Na 3H20溶解于 冰醋酸中，在40°C 5(TC條件下攪拌混合均勻，然后再加入將步驟一稱取的(:1611360411，在 60°C 8(TC條件下攪拌混合均勻，再加入將步驟一稱取的Ba(N03)2攪拌混合均勻，并加入 氨水條件pH至8 9，繼續(xù)攪拌28 32min，即得到混合溶液，其中Zr (N03) 4 5H20與冰醋 酸的質(zhì)量比為1 : 20 50 ; 三、向混合溶液中加入穩(wěn)定劑形成膠狀物，倒出膠狀物的上清液即得到凝膠，然后 用水清洗凝膠，其中，穩(wěn)定劑為乙二醇乙醚，混合溶液與穩(wěn)定劑的重量比為10 30 : 1 ;
四、清洗后的凝膠在80°C IO(TC條件下進(jìn)行真空干燥，然后在600°C 70(TC條 件下燒結(jié)90 160min，即得到的Zr (BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體。
本實(shí)施方式的方法具有以下優(yōu)點(diǎn) a、本實(shí)施方式的方法反應(yīng)條件均在低位條件下進(jìn)行，傳統(tǒng)固相方法需要在750°C 90(TC之間才能合成粉體，而本實(shí)施方式僅在600°C 70(TC條件下燒結(jié)就能合成 粉體，燒結(jié)溫度低； b、本實(shí)施方式的方法制得的Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體壓電常數(shù)機(jī) 電耦合系數(shù)高，與傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制得的粉體相比較，壓電系數(shù)c^提高了近20PC/N，機(jī)電 耦合系數(shù)kp值提高了 5%左右，本實(shí)施方式的方法制得的Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納 米粉體性能穩(wěn)定； c、本實(shí)施方式制作得到的Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體粒徑大小 為0. 3 0. 6 ii m，粉體粒徑分布范圍小，純度為97. 5 % 99 % ，本實(shí)施方式制作得到的 Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體粒徑分布范圍小，純度高，陶瓷結(jié)構(gòu)致密性好，摻雜 元素均勻，從本實(shí)施方式制作得到的Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體的x射線衍射 圖中可以看出本實(shí)施方式制作得到的Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體活性高。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟一中X二0.05。其 它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟一中X = 0. 1。其 它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟一中X = 0. 2。其 它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至四不同的是步驟二中 Zr(N0》^5H20與冰醋酸的質(zhì)量比為l : 35。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至四相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五不同的是步驟三中混合溶 液與穩(wěn)定劑的重量比為20 : 1。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至五相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至六不同的是步驟四中在90°C 條件下進(jìn)行真空干燥。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至六相同。 具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至七不同的是步驟四中在
60(TC條件下燒結(jié)120min。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至七相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式溶膠凝膠法制備Zr (BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米
粉體按照以下步驟進(jìn)行 一、依照化學(xué)式Zrx(Bi。.sNa。.5)。.94Ba。.。6TihA按照x : 0. 47 : 0.47 : 0. 06 : l_x 的摩爾比分別稱取Zr (N03)4 51120、純度為99 %的Bi (N03)3 5H20、 CH3COONa 31120、濃度為 0. 05mol/L 0. 15mol/L的Ba(N03)2禾口 C16H3604Ti，其中x = 0. 1 ; 二、將步驟一稱取的Zr (N03) 4 5H20、Bi (N03) 3 5H20和CH3COONa 3H20溶解于冰醋 酸中，在451:條件下攪拌混合均勻，然后再加入將步驟一稱取的(:1611360411，在701:條件下 攪拌混合均勻，再加入將步驟一稱取的Ba(N03)2攪拌混合均勻，并加入氨水條件pH至8. 5， 繼續(xù)攪拌30min，即得到混合溶液，其中Zr(N03)4 5H20與冰醋酸的質(zhì)量比為1 : 35 ;
三、向混合溶液中加入穩(wěn)定劑形成膠狀物，倒出膠狀物的上清液即得到凝膠，然后 用水清洗凝膠，其中，穩(wěn)定劑為乙二醇乙醚，混合溶液與穩(wěn)定劑的重量比為20 : 1;
四、清洗后的凝膠在9(TC條件下進(jìn)行真空干燥，然后在65(TC條件下燒結(jié)120min， 即得到的Zr (BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體。
本實(shí)施方式的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)
a、本實(shí)施方式的方法反應(yīng)條件均在低位條件下進(jìn)行，傳統(tǒng)固相方法需要在 75(TC 90(TC之間才能合成粉體，而本發(fā)明僅在60(TC條件下燒結(jié)就能合成粉體，燒結(jié)溫 度低； b、本實(shí)施方式的方法制得的Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體壓電常數(shù)機(jī) 電耦合系數(shù)高，與傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制得的粉體相比較，壓電系數(shù)(133提高了 26PC/N，機(jī)電耦 合系數(shù)kp值提高了 7% ，本發(fā)明的方法制得的Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體性能 禾急^ ; c、本實(shí)施方式的Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體粒徑大小為0. 3 0. 6 ii m，粉體粒徑分布范圍小，純度為97. 5 % 99 % ，本發(fā)明的Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電陶 瓷納米粉體粒徑分布范圍小，純度高。 圖1為本實(shí)施方式制作得到的Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體的x射線衍 射圖，圖1與對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比較分析可知，本實(shí)施方式的方法在60(TC的燒結(jié)溫度下已 經(jīng)生成個(gè)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Zr(BiNa)BaTiO粉體，較傳統(tǒng)固相合成粉體(750°C -900°C )燒結(jié)溫 度低，說明粉體活性明顯高于傳統(tǒng)固相合成的粉體，本實(shí)施方式制作得到的Zr(BiNa) BaTiO 無鉛壓電陶瓷納米粉體活性高；圖2為本實(shí)施方式制作得到的Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電 陶瓷納米粉體的電鏡圖，從圖中可以看出粉體中晶粒生長(zhǎng)均勻，摻雜元素均勻，陶瓷結(jié)構(gòu)致 密，結(jié)構(gòu)結(jié)合力強(qiáng)。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
九不同的是步驟一中X = 0. 1。其 它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
九相同。 圖3為本實(shí)施方式制作得到的Zr (BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體的x射線衍 射圖，圖3與對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比較分析可知，本實(shí)施方式的方法在60(TC的燒結(jié)溫度下已 經(jīng)生成個(gè)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Zr (BiNa) BaTiO粉體，較傳統(tǒng)固相合成粉體(750°C -900°C )燒結(jié)溫 度低，說明粉體活性明顯高于傳統(tǒng)固相合成的粉體，本實(shí)施方式制作得到的Zr (BiNa) BaTiO 無鉛壓電陶瓷納米粉體活性高；圖4為本實(shí)施方式制作得到的Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電 陶瓷納米粉體的電鏡圖，從圖中可以看出粉體中晶粒生長(zhǎng)均勻，摻雜元素均勻，陶瓷結(jié)構(gòu)致 密，結(jié)構(gòu)結(jié)合力強(qiáng)。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
九不同的是步驟一中X = 0. 2。其 它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
九相同。 圖5為本實(shí)施方式制作得到的Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體的x射線衍 射圖，圖5與對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比較分析可知，本實(shí)施方式的方法在60(TC的燒結(jié)溫度下已 經(jīng)生成個(gè)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Zr (BiNa) BaTiO粉體，較傳統(tǒng)固相合成粉體(750°C -900°C )燒結(jié)溫 度低，說明粉體活性明顯高于傳統(tǒng)固相合成的粉體，本實(shí)施方式制作得到的Zr (BiNa) BaTiO 無鉛壓電陶瓷納米粉體活性高；圖6為本實(shí)施方式制作得到的Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電 陶瓷納米粉體的電鏡圖，從圖中可以看出粉體中晶粒生長(zhǎng)均勻，摻雜元素均勻，陶瓷結(jié)構(gòu)致 密，結(jié)構(gòu)結(jié)合力強(qiáng)。
權(quán)利要求
溶膠凝膠法制備Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體，其特征在于溶膠凝膠法制備Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體按照以下步驟進(jìn)行一、依照化學(xué)式Zrx(Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06Ti1-xO3按照x∶0.47∶0.47∶0.06∶1-x的摩爾比分別稱取Zr(NO3)4·5H2O、純度為99％的Bi(NO3)3·5H2O、CH3COONa·3H2O、濃度為0.05mol/L～0.15mol/L的Ba(NO3)2和C16H36O4Ti，其中0.05＜x＜0.2；二、將步驟一稱取的Zr(NO3)4·5H2O、Bi(NO3)3·5H2O和CH3COONa·3H2O溶解于冰醋酸中，在40℃～50℃條件下攪拌混合均勻，然后再加入將步驟一稱取的C16H36O4Ti，在60℃～80℃條件下攪拌混合均勻，再加入將步驟一稱取的Ba(NO3)2攪拌混合均勻，并加入氨水條件pH至8～9，繼續(xù)攪拌28～32min，即得到混合溶液，其中Zr(NO3)4·5H2O與冰醋酸的質(zhì)量比為1∶20～50；三、向混合溶液中加入穩(wěn)定劑形成膠狀物，倒出膠狀物的上清液即得到凝膠，然后用水清洗凝膠，其中，穩(wěn)定劑為乙二醇乙醚，混合溶液與穩(wěn)定劑的重量比為10～30∶1；四、清洗后的凝膠在80℃～100℃條件下進(jìn)行真空干燥，然后在600℃～700℃條件下燒結(jié)90～160min，即得到的Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶膠凝膠法制備Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體，其 特征在于步驟一中x = 0. 05。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的溶膠凝膠法制備Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體，其 特征在于步驟一中x = 0. 1。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溶膠凝膠法制備Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體，其 特征在于步驟一中x二O. 2。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 、2、3或4所述的溶膠凝膠法制備Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電陶瓷納米 粉體，其特征在于步驟二中Zr(N0》r5H^與冰醋酸的質(zhì)量比為l : 35。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的溶膠凝膠法制備Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體，其 特征在于步驟三中混合溶液與穩(wěn)定劑的重量比為20 : 1。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1 、2或6所述的溶膠凝膠法制備Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉 體，其特征在于步驟四中在90°C條件下進(jìn)行真空干燥。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的溶膠凝膠法制備Zr (BiNa) BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體，其 特征在于步驟四中在60(TC條件下燒結(jié)120min。
全文摘要
溶膠凝膠法制備Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體，它涉及一種制備無鉛壓電陶瓷納米粉體的方法。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制得的粉體粒徑分布范圍寬、純度低、摻雜元素不均勻、活性低、性能不穩(wěn)定的問題。方法一、稱取原料；二、制備混合溶液；三、制備凝膠；四、經(jīng)真空干燥、燒結(jié)即得到Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體。本發(fā)明方法制作得到的Zr(BiNa)BaTiO無鉛壓電陶瓷納米粉體粒徑分布范圍小、純度高、摻雜元素均勻、活性高、性能穩(wěn)定。
文檔編號(hào)C04B35/624GK101767992SQ20101003246
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2010年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月14日
發(fā)明者修德斌, 馮僑華, 施云波, 榮鵬志, 趙文杰 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)