一种层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷的制备方法。首先使用熔盐法合成的针状铌酸锶钾微晶粉体和固相法合成的铌酸锶钾基体粉料为原料，分别将这两种粉体同助烧剂、有机溶剂和粘结剂混合，获得有一定粘度的浆料，进行涂刷流延成膜片，然后将基体膜片与微晶膜片叠层压制成型为块状坯体，最后通过二步烧结技术获得层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷。本发明专利技术制备方法将微晶和基体分别进行涂刷流延，由于微晶均为针状形貌，在涂刷过程中颗粒之间的相互剪切作用，使得微晶高度取向平行排布在膜片中，并且在高温烧结过程中，“吞并”微晶层间的基体小颗粒而发生外延竞争生长，在提高织构度的同时，合理控制了晶粒的生长速率。

【技术实现步骤摘要】
一种层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷的制备方法
本专利技术涉及一种层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷的制备方法，属于无铅压电陶瓷领域。
技术介绍
压电材料是一种能将机械能和电能相互转换的功能材料，其中锆钛酸铅陶瓷以其优良的机电性能应用最为广泛。然而，该陶瓷在制备和生产过程中，由于铅挥发严重造成环境污染。因此，开发不含铅的环境友好型压电陶瓷将是必然趋势。四方钨青铜结构的铌酸锶钾（KSr2Nb5O15）单晶材料的电光系数约为LiNbO3单晶的7倍，使其在光电、压电、铁电、介电以及激光等领域有潜在的应用空间。与单晶相比，铌酸锶钾织构陶瓷具有制备周期短、成本低的优势，使得铌酸锶钾陶瓷的织构化得到了迅速发展。若将熔盐法合成的针状铌酸锶钾微晶粉体加入固相法合成的铌酸锶钾基体中，高温烧结过程中可以诱导基体晶粒择优取向生长，从而形成织构陶瓷（C.Duran.ProcessingandferroelectricbehavioroftexturedKSr2Nb5O15ceramics[J].JournalofMaterialsScience,2006,41:7620-7627）。根据其实验结果发现，大尺寸微晶有利于高织构度微观组织的形成，但晶粒异常生长严重，进而导致致密化程度较低。本课题组前期的探索试验发现，使用小尺寸微晶能够促进陶瓷的致密化，然而在流延成型过程中难以完成小尺寸微晶在基体粉料中的定向排布；随后，我们仅使用熔盐法合成的针状铌酸锶钾微晶粉体为原料，通过涂刷流延工艺结合叠层成型技术，高温烧结制备出织构度较高的致密铌酸锶钾陶瓷（L.Liu.Fabricationofgrain-orientedKSr2Nb5O15ceramicsbyabrushtechnique[J].MaterialsLetters186(2017)105–108）。然而，由于熔盐法合成的微晶粉体存在大量阳离子空位缺陷，导致制备出的铌酸锶钾陶瓷居里温度较低（室温附近），压电性能较差，极大地限制了铌酸锶钾织构陶瓷材料的发展。由此可见，寻找一种高织构度和致密度的制备方法是开发铌酸锶钾陶瓷性能的关键。
技术实现思路
为解决无铅压电陶瓷微晶在成型过程中无法定向排布等问题，提高无铅压电陶瓷织构度和密度，本专利技术提出了一种层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷的制备方法。本专利技术提出的层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷的制备方法，是使用熔盐法合成的针状铌酸锶钾微晶粉体和固相法合成的铌酸锶钾基体粉料为原料，分别将这两种粉体同助烧剂、有机溶剂和粘结剂混合，获得具有一定粘度的浆料，进行涂刷流延成膜片，然后将基体膜片与微晶膜片按一定数量比叠层成型为块状坯体，最后通过二步烧结技术获得层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷，以替代传统的含铅系压电陶瓷。与传统压电、铁电织构陶瓷成型工艺相比，本专利技术制备方法的优势明显。传统方法是将微晶与基体颗粒直接混合均匀，然后进行流延成型，由于微晶为针状颗粒（而不是片状），因此在二维的膜片平面中较难实现定向排布，另外微晶颗粒也容易扎堆聚集，造成分布不均匀，进一步导致试样在烧结过程中大尺寸微晶异常生长，陶瓷试样翘曲变形，甚至开裂。本专利技术提供了一种层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：步骤一：制备铌酸锶钾基体粉体；所述制备铌酸锶钾基体粉体的具体过程是：(1)将分析纯的碳酸钾、碳酸锶和五氧化二铌粉末混合后，得到铌酸锶钾基体的原料混合物；碳酸钾与五氧化二铌的摩尔比为1:7~1:4，碳酸锶与五氧化二铌的摩尔比为3:5~5:5；(2)将铌酸锶钾基体的原料混合物置于聚四氟乙烯球磨罐中，加入无水乙醇在球磨机上球磨6h~12h，得到铌酸锶钾基体湿料；所述无水乙醇与铌酸锶钾微晶的原料混合物的重量比为1:1~2:1；将球磨后的铌酸锶钾微晶湿料置于烘箱内，在40℃~90℃下烘干；将烘干的粉料研磨；将研磨后的粉料置于刚玉坩埚中，以2℃/min~5℃/min的升温速率升温至1100℃~1200℃，并保温2h~6h，对研磨后的粉料进行煅烧。煅烧后随炉冷却至室温，得到煅烧后的粉料；(3)将研磨后的粉料置于刚玉坩埚中，以2℃/min~5℃/min的升温速率升温至1200℃~1250℃，并保温2h~6h，对研磨后的粉料进行煅烧；煅烧后随炉冷却至室温，得到铌酸锶钾基体粉体；步骤二：制备铌酸锶钾微晶粉体；所述制备铌酸锶钾微晶粉体的具体过程是：(1)将分析纯的碳酸锶、五氧化二铌粉末混合后，加入氯化钾粉末，得到铌酸锶钾微晶的原料混合物；碳酸锶与五氧化二铌的摩尔比为3:5~5:5；氯化钾为碳酸锶和五氧化二铌重量的1~6倍；(2)将铌酸锶钾微晶的原料混合物置于聚四氟乙烯球磨罐中，加入无水乙醇在球磨机上球磨6h~12h，得到铌酸锶钾微晶湿料；所述无水乙醇与铌酸锶钾微晶的原料混合物的重量比为1:1~2:1。将球磨后的铌酸锶钾微晶湿料置于烘箱内，在40℃~90℃下烘干。将烘干的粉料研磨。将研磨后的粉料置于刚玉坩埚中，以2℃/min~5℃/min的升温速率升温至1150℃~1200℃，并保温2h~6h，对研磨后的粉料进行煅烧。煅烧后随炉冷却至室温，得到煅烧后的粉料。(3)煅烧后的粉料在100℃的蒸馏水中反复洗涤并过滤，直至在滤液中检测不出Cl-。在40℃~90℃下烘干洗涤后的粉料，得到针状铌酸锶钾微晶粉体。步骤三：制备铌酸锶钾基体膜片；所述制备铌酸锶钾基体膜片的具体过程是：(1)将铌酸锶钾基体粉体、助烧剂、粘结剂和有机溶剂依次置于聚四氟乙烯球磨罐中，球磨24小时后，得到浆料。所述的助烧剂采用三氧化二铋，为针状铌酸锶钾微晶粉体的重量的2~8%；所述的有机溶剂由重量比为2:1的甲苯和无水乙醇配成，为铌酸锶钾基体粉体重量的1~2倍；粘结剂由无水乙醇、甲苯、异丙醇、邻二甲酸二丁酯和聚乙烯醇缩丁醛配制而成，为铌酸锶钾基体粉体重量的30~70％；所述粘结剂中无水乙醇与甲苯的重量比为1:1~1:2；异丙醇为无水乙醇和甲苯重量的20~30%；邻二甲酸二丁酯为无水乙醇和甲苯重量的15~20%；聚乙烯醇缩丁醛为无水乙醇和甲苯重量的20~30%(2)过滤后的浆料通过宽1.5cm的尼龙刷子采用常规涂刷方法在不锈钢板上进行流延，得到膜片。流延工艺参数为：涂刷速率为1cm/s~3cm/s，厚度为30~50μm，烘干温度为：50～80℃。步骤四：制备铌酸锶钾微晶膜片；所述制备铌酸锶钾微晶膜片的具体过程是：(1)将针状铌酸锶钾微晶粉体、助烧剂、粘结剂和有机溶剂按重量配比并混合均匀，球磨12小时后，得到浆料。所述的助烧剂采用三氧化二铋，为针状铌酸锶钾微晶粉体的重量的2~8%；所述的有机溶剂由重量比为2:1的甲苯和无水乙醇配成，为铌酸锶钾基体粉体重量的1~2倍；粘结剂由无水乙醇、甲苯、异丙醇、邻二甲酸二丁酯和聚乙烯醇缩丁醛配制而成，为铌酸锶钾微晶粉体重量的30~70％；所述粘结剂中无水乙醇与甲苯的重量比为1:1~1:2；异丙醇为无水乙醇和甲苯重量的20~30%；邻二甲酸二丁酯为无水乙醇和甲苯重量的15本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于：使用熔盐法合成的针状铌酸锶钾微晶粉体和固相法合成的铌酸锶钾基体粉料为原料，分别将这两种粉体同助烧剂、有机溶剂和粘结剂混合，获得流延浆料，进行涂刷流延成膜片，然后将基体膜片与微晶膜片叠层压制成型为块状坯体，最后通过二步烧结技术获得层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷。/n

【技术特征摘要】
1.一种层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于：使用熔盐法合成的针状铌酸锶钾微晶粉体和固相法合成的铌酸锶钾基体粉料为原料，分别将这两种粉体同助烧剂、有机溶剂和粘结剂混合，获得流延浆料，进行涂刷流延成膜片，然后将基体膜片与微晶膜片叠层压制成型为块状坯体，最后通过二步烧结技术获得层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷。


2.根据权利要求1所述的层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：制备铌酸锶钾基体粉体：以分析纯的碳酸钾、碳酸锶和五氧化二铌粉末为原料制备；
步骤二：制备铌酸锶钾微晶粉体：以分析纯的碳酸锶、五氧化二铌粉末和氯化钾粉末为原料制备；
步骤三：制备铌酸锶钾基体膜片：以步骤一所得的铌酸锶钾基体粉体与助剂制备；
步骤四：制备铌酸锶钾微晶膜片：以步骤二所得的针状铌酸锶钾微晶粉体与助剂为原料制备；
步骤五：制备层状铌酸锶钾陶瓷素坯体：以步骤三所得的铌酸锶钾基体膜片和步骤四所得的铌酸锶钾微晶膜片为原料制备素坯体；
步骤六：制备层状铌酸锶钾陶瓷。


3.根据权利要求2所述的层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于：所述制备铌酸锶钾基体粉体的具体过程是：
(1)将分析纯的碳酸钾、碳酸锶和五氧化二铌粉末混合后，得到铌酸锶钾基体的原料混合物；碳酸钾与五氧化二铌的摩尔比为1:7~1:4，碳酸锶与五氧化二铌的摩尔比为3:5~5:5；
(2)将铌酸锶钾基体的原料混合物置于聚四氟乙烯球磨罐中，加入无水乙醇在球磨机上球磨6h~12h，得到铌酸锶钾基体湿料；所述无水乙醇与铌酸锶钾微晶的原料混合物的重量比为1:1~2:1；将球磨后的铌酸锶钾微晶湿料置于烘箱内，在40℃~90℃下烘干；将烘干的粉料研磨；将研磨后的粉料置于刚玉坩埚中，以2℃/min~5℃/min的升温速率升温至1100℃~1200℃，并保温2h~6h，对研磨后的粉料进行煅烧；煅烧后随炉冷却至室温，得到煅烧后的粉料；
(3)将研磨后的粉料置于刚玉坩埚中，以2℃/min~5℃/min的升温速率升温至1200℃~1250℃，并保温2h~6h，对研磨后的粉料进行煅烧；煅烧后随炉冷却至室温，得到铌酸锶钾基体粉体。


4.根据权利要求2所述的层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于：所述制备铌酸锶钾微晶粉体的具体过程是：
(1)将分析纯的碳酸锶、五氧化二铌粉末混合后，加入氯化钾粉末，得到铌酸锶钾微晶的原料混合物；碳酸锶与五氧化二铌的摩尔比为3:5~5:5；氯化钾为碳酸锶和五氧化二铌重量的1~6倍；
(2)将铌酸锶钾微晶的原料混合物置于聚四氟乙烯球磨罐中，加入无水乙醇在球磨机上球磨6h~12h，得到铌酸锶钾微晶湿料；所述无水乙醇与铌酸锶钾微晶的原料混合物的重量比为1:1~2:1；将球磨后的铌酸锶钾微晶湿料置于烘箱内，在40℃~90℃下烘干；将烘干的粉料研磨；将研磨后的粉料置于刚玉坩埚中，以5℃/min的升温速率升温至1050℃~1200℃，并保温2h~6h，对研磨后的粉料进行煅烧；煅烧后随炉冷却至室温，得到煅烧后的粉料；
(3)煅烧后的粉料在100℃的蒸馏水中反复洗涤并过滤，直至在滤液中检测不出Cl-；在40℃~90℃下烘干洗涤后的粉料，得到针状铌酸锶钾微晶粉体。


5.根据权利要求2所述的层状致密铌酸锶钾无铅压电陶瓷的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亮亮，侯赵平，张拯，吕蕊，王永强，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14