一種片狀鈮酸鉀鈉粉體的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)鉛壓電陶瓷領(lǐng)域，涉及一種片狀鈮酸鉀鈉粉體的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鉛基壓電陶瓷(PZT)由于其優(yōu)越的壓電性能，目前廣泛應(yīng)用于電子通訊、航空等高科技方面。然而，在這些鉛基材料中PbO約占70%，這會(huì)對(duì)人體健康和環(huán)境保護(hù)造成威脅，所以，尋求一種無(wú)鉛壓電陶瓷代替鉛基陶瓷是一種必然趨勢(shì)。目前，無(wú)鉛壓電陶瓷體系主要有BaTi03基無(wú)鉛壓電陶瓷，Bia 5Naa 5Ti03基無(wú)鉛壓電陶瓷，堿金屬鈮酸鹽基無(wú)鉛壓電陶瓷，鎢青銅結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷，鉍層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷等。其中，堿金屬鈮酸鹽基壓電陶瓷居里點(diǎn)高，具有反鐵電性而受到人們廣泛關(guān)注，但與傳統(tǒng)鉛基壓電陶瓷相比，其壓電性能偏低，在應(yīng)用上無(wú)法取代PZT。因此，如何提高無(wú)鉛壓電陶瓷的壓電性能是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵所在。
[0003]陶瓷織構(gòu)化是一種提高壓電陶瓷壓電性能的有效方法。該方法的關(guān)鍵之一就是制備模板材料，NN(NaNb03)被廣泛用來(lái)作為模板材料，但對(duì)于KNN[ (Ka5Naa5)Nb03]基壓電陶瓷，KNN[(K0.5Na0.5)Nb03]模板與基料更為相似，在流延燒結(jié)過(guò)程中能更好的與基料相結(jié)合，是KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷更為理想的模板材料?，F(xiàn)在，制備KNN模板的主要方法是采用熱液法，例如Fan Zhang等采用熱液法，以Nb205、Κ0Η和NaOH為原料，通過(guò)控制K+和Na+比例，制備出的片狀KNN粉體,厚度約lOOnm,寬度約1.5 μ m, (Fan ZHANG et al.HydrothermalSynthesis of (K, Na)Nb03Particles.Japanese Journal of Applied Physics, Vol.47,N0.9,2008) 0Shan Bai采用兩步熱液法，第一步先合成片狀K4Na4Nb6019.9Η20粉體，第二步以此為原料合成厚度為0.6 μ m,寬為7 μ m的片狀ΚΝΝ粉體，(Shan Bai and Tomoaki Karak1.Two-step Synthesis of Platelike Potassium Sodium N1bate Template Particles byHydrothermal Method.J.Am.Ceram.Soc.96 [8] 2515-2518, 2013)。米用熱化學(xué)法制備所得的片狀KNN粉體，片狀尺寸分布小，制約了壓電陶瓷織構(gòu)度的提高，且熱化學(xué)方法效率低，產(chǎn)量小，不適合大批量生產(chǎn)，而且存在工藝不穩(wěn)定的技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種片狀鈮酸鉀鈉粉體的制備方法，該方法先以Bi203、K2C03和Nb205為原料，NaCl為熔鹽，通過(guò)一次熔鹽法制備片狀Bi2.5Na3.5Nb50ls粉體；再以片狀Bi2.5Na3.5Nb50ls粉體、Na2C03為原料或以片狀Bi2.5Na3.5Nb5018粉體、Na2C03和K2C03的混合物為原料，采用二次熔鹽法制備出具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的片狀(KQ.5Naa5)Nb03粉體。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0006]一種片狀鈮酸鉀鈉粉體的制備方法，所述的鈮酸鉀鈉的化學(xué)式為(Ka5Naa5)Nb03，所述的制備方法為兩步熔鹽法，具體包括以下步驟:
[0007](1)將反應(yīng)原料Bi203、K2C03和Nb205按摩爾比為(4?8): 7: 10混合得到粉體，加入熔鹽制成球磨料，置于尼龍球磨罐中，再加入氧化鋯球和無(wú)水乙醇，進(jìn)行球磨，干燥，高溫?zé)崽幚恚粗频闷瑺頑i2.5Na3.5Nb50ls粉體；
[0008](2)將步驟⑴制得的片狀Bi2.5Na3.5Nb50ls粉體與堿金屬碳酸鹽按摩爾比為1: (2.0?2.5)混合，加入熔鹽制成球磨料，置于尼龍球磨罐中，再加入氧化鋯球和無(wú)水乙醇，進(jìn)行球磨；
[0009](3)將步驟⑵球磨后的混料干燥后，進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，即制得含?Ka5NaQ.5)Nb03的粉體混合物；
[0010](4)對(duì)步驟(3)制得的含有(Ka5Naa5)Nb03的粉體混合物進(jìn)行清洗處理，即制成片狀(KQ.5Naa5)Nb03 粉體。
[0011]步驟(1)所述的熔鹽為NaCl，該熔鹽NaCl的質(zhì)量與所述反應(yīng)原料Bi203、K2C03和Nb205混合粉體總質(zhì)量之比為(1?1.5): 1。
[0012]步驟⑵所述的熔鹽為KC1，該熔鹽KC1的質(zhì)量與所述片狀Bi2.5Na3.5Nb50ls粉體和堿金屬碳酸鹽混合粉體總質(zhì)量之比為(1?1.2): 1。
[0013]步驟(1)和步驟⑵中所述的氧化鋯球與球磨料的質(zhì)量比為(1.2?1.5): 1，所述的無(wú)水乙醇與球磨料的質(zhì)量比為(1.5?3.0): 1，所述的球磨時(shí)間為8?24h。
[0014]步驟(1)所述的高溫?zé)崽幚項(xiàng)l件為790?810°C恒溫處理1?2h，再按1?:TC /min的速率升溫至1000?1100°C，恒溫處理1?4h后，隨爐冷卻至室溫。
[0015]步驟⑵所述的堿金屬碳酸鹽為L(zhǎng)i2C03、Na2C03或Na2C03與K2C03按摩爾比為(1?5): (5?9)組成的混合物，所述的堿金屬碳酸鹽與片狀Bi2.5Na3.5Nb50ls粉體的摩爾比為(1.5 ?3.0): 1。
[0016]步驟⑵所述的堿金屬碳酸鹽為他20)3時(shí)，其與片狀Bi2.5Na3.5Nb50ls粉體的摩爾比優(yōu)選(1.75 ?2.5): 1。
[0017]步驟⑵所述的堿金屬碳酸鹽為Na2C03與K2C03組成的混合物時(shí)，該混合物與片狀Bi2.5Na3.5Nb5018粉體的摩爾比優(yōu)選(2.0?3.0): 1。
[0018]步驟(3)所述的高溫?zé)崽幚項(xiàng)l件為790?810°C恒溫處理1?2h，再按0.5?1°C/min的速率升溫至920?980°C，恒溫處理1?3h后，隨爐冷卻至室溫。
[0019]步驟⑷所述的清洗處理過(guò)程為:將步驟⑶制得的含有(Ka5NaQ.5)Nb03的粉體混合物置于100°C去離子水中，浸泡處理12?24h后，再進(jìn)行超聲清洗，直至用AgN03溶液檢驗(yàn)洗滌后的溶液中無(wú)C1，再將清洗過(guò)的產(chǎn)物用ΗΝ03反復(fù)清洗，直至洗滌后的溶液呈酸性為止。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn):
[0021](1)本發(fā)明制得的(Ka5NaQ.5)Nb03粉體的尺寸分布為15 μ m?25 μ m，厚度約為1 μ m,尺寸均一'丨生好,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；
[0022](2)以本發(fā)明制得的0(。.#&。.5)他03粉體為模板所制備的織構(gòu)陶瓷，具有優(yōu)異的取向，能夠極大提聞其壓電性能；
[0023](3)制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，可重復(fù)性強(qiáng)，生產(chǎn)效率高，性能優(yōu)異，可獲得尺寸大的片狀結(jié)構(gòu)，主要用于無(wú)鉛壓電織構(gòu)陶瓷的制備，對(duì)推動(dòng)無(wú)鉛壓電陶瓷的研究有重要意義。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為以K2C03為原料制得的片狀Bi2.5Na3.5Nb50ls粉體的SEM圖譜；
[0025]圖2為以K2C03為原料制得的片狀Bi2.5Na3.5Nb50ls粉體的XRD圖譜；
[0026]圖3為以Na2C03、K2C03混合組成的堿金屬碳酸鹽與Bi2.5Na3.5Nb50ls為原料制得的片狀(KQ.5Naa5)Nb03粉體的SEM圖譜；
[0027]圖4為以Na2C03、K2C03混合組成的堿金屬碳酸鹽與Bi2.5Na3.5Nb50ls為原料制得的片狀(KQ.5Naa5)Nb03粉體的EDS圖譜；
[0028]圖5為Na2C03與Bi2.5Na3.5Nb50ls按照不同摩爾比，制得的片狀(KQ.5Naa5)Nb03粉體的XRD圖譜；
[0029]圖6 為以 Na2C03 與 Bi2.5Na3.5Nb50ls 為原料，制得的片狀(KQ.5Naa5) Nb03 粉體的 EDS圖譜；
[0030]圖7 為 Bi2.5Na3.5Nb50183 與 Na2C03 按照摩爾比為 1: 1.75，制得的片狀(K0.5Na0.5)Nb03粉體的SEM圖譜；
[0031]圖8 為 Bi2.5Na3.5Nb50183 與 Na2C03 按照摩爾比為 1: 2，制得的片狀(K0.5Na0.5) Nb03粉體的SEM圖譜；
[0032]圖9 為 Bi2.5Na3.5Nb50183 與 Na2C03 按照摩爾比為 1: 2.25，制得的片狀(K0.5Na0.5)Nb03粉體的SEM圖譜；
[0033]圖10 為 Bi2.5Na3.5Nb50183 與 Na2C03 按照摩爾比為 1: 2.5,制得的片狀(K0.5Na0.5)Nb03粉體的SEM圖譜；
[0034]圖11為本發(fā)明制得的片狀(KQ.5Naa5)Nb03粉體與NaNb03、KNb03的XRD圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0036]實(shí)施例1:
[0037]本實(shí)施例制備片狀(Ka5Naa5) Nb03粉體，具體步驟如下:
[0038](1)將反應(yīng)原料Bi203、K2C03和Nb205按摩爾比為7: 7: 10混合得到粉體，按照NaCl與上述Bi203、K2C03和Nb205混合粉體總質(zhì)量之比為1.1: 1，加入熔鹽NaCl制成球磨料，置于尼龍球磨罐；再按照氧化鋯球、無(wú)水乙醇與球磨料的質(zhì)量比為1.2: 1.5: 1，向尼龍球磨罐中加入氧化鋯球和無(wú)水乙醇，球磨混合24h，將混合后的料烘干，裝入氧化鋁坩堝，置于爐中，805°C處理lh，按2V /min的速率升溫至1000°C，恒溫處理2h后，隨爐冷卻至室溫，再將高溫處理后的物料放入布氏漏斗中，洗去NaCl，烘干，即制得片狀Bi2.5Na3.5Nb50ls粉體；
[0039](2)將Na2C03與K2C03按摩爾比為1: 1進(jìn)行混合制成堿金屬碳酸鹽，將步驟(1)制得的片狀Bi2.5Na3.5Nb50ls粉體與堿金屬碳酸鹽按摩爾比為1: 2混合制得粉體，按照KC1與上述片狀Bi2.5Na3.5Nb50ls粉體、堿金屬碳酸鹽混合粉體總質(zhì)量之比為1.1: 1，加入熔鹽KC1制成球磨料，置于尼龍球磨罐；再按照氧化鋯球、無(wú)水乙醇與球磨料的質(zhì)量比為
1.2: 1.5: 1，向尼龍球磨罐中加入氧化鋯球和無(wú)水乙醇，球磨混合10h;
[0040](3)將步驟(2)球磨后的混料烘干，裝入氧化鋁坩堝，置于爐中，790°C處理lh，按0.5°C /min的速率升溫至920°C，恒溫處理2h后，隨爐冷卻至室溫，即制得含有(Ka5NaQ.5)Nb03的粉體混合物；
[0041](4)將步驟(3)制得的含有(KQ.5Naa5)Nb03的粉體混合物置于100°C去離子水中，浸泡處理24h后，再進(jìn)行超聲清洗，直至用AgN03溶液檢驗(yàn)洗滌后的溶液中無(wú)C1，再將清洗過(guò)的產(chǎn)物用ΗΝ03反復(fù)清洗，直至洗滌后的溶液呈酸性為止，即制得片狀(Ka5Naa5)Nb03粉體。
[0042]由圖1所示，步驟⑴制備的Bi2.5Na3.5Nb50ls粉體為片狀，其粒徑范圍在15 μ m-30 μ m,厚度約為1 μ m。圖2為步驟⑴制得的片狀Bi2.5Na3.5Nb50ls粉體的XRD圖譜，可以看出生成Bi2.5Na3.5Nb50ls粉體為鉍層狀結(jié)構(gòu)。
[0043]圖3為本實(shí)施例制成的片狀(Ka5NaQ.5)Nb03粉體的SEM圖，由圖3可以看出，(Ka5Naa5)Nb03粉體具有均勻的微觀結(jié)構(gòu)，其粒徑范圍在15μπι?25μπι，厚度約為Ιμπι。圖4是本實(shí)施例中制得的片狀(Ka5NaQ.5)Nb03粉體的EDS圖譜，鉀鈉的比例相當(dāng)，是鈮酸鉀鈉物質(zhì)。
[0044]圖11所示為制得的(Ka5Na0.5) Nb03粉末與NaNb03、KNb03的XRD圖譜，由圖11可知，(K0.5Na0.5) Nb03的XRD圖譜相較于NaNb03向左偏移了約0.3 °，這是由于K+半徑大于Na+，當(dāng)K+取代部分Na+形成(1(。.5他。.5)他03時(shí)，由于離子半徑變大，2 0角向左偏移，這與之前Lee JS at el 報(bào)道的相符合。(Lee J S, Jeon J H, Choi S Y.Role of alkali carbonate andsalt in topochemical synthesi