[發明專利]微米級片狀鈦酸鉍鈉晶體及其制備方法

無效

• 申請號: 200710302017.2
• 申請日: 2007-12-19
• 公開（公告）號: CN101260565A
• 公開（公告）日: 2008-09-10
• 發明（設計）人: 周和平;趙巍;嚴永科;劉丹
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C30B29/32
• 分類號: C30B29/32;C30B29/64
• 代理公司: 北京市德恒律師事務所
• 代理人: 馬佑平

技術領域

本發明涉及一種制備微米級片狀鈦酸鉍鈉晶體的方法，用于反應模晶生長法制備織構化壓電陶瓷，屬于壓電陶瓷技術領域。

背景技術

鋯鈦酸鉛(PZT)、鈮鎂酸鉛(PMNT)的(100)切片單晶材料由于其優異的壓電性能使其在壓電電源、傳感器、超聲、壓電馬達等領域有著廣泛的應用。但是由于上述壓電陶瓷的含鉛量比較大，這類陶瓷在生產、使用以及廢棄物的處理過程中對人類和生態環境產生了很多不利的影響。另外，盡管單晶由于各向異性而表現出優異的壓電性能，但是由于其制備工藝復雜，費用昂貴，單晶尺寸、大小和數量難以控制，從而限制了它的應用。

因此，尋找高性能的無鉛壓電陶瓷材料和改進方法以提高壓電陶瓷材料的性能成為當前具有重大社會意義的課題。眾多無鉛壓電陶瓷中，鈦酸鉍鈉Na_0.5Bi_0.5TiO₃(NBT)是一種有很大應用潛力的材料，熔融生長NBT單晶與BaTiO₃在準同型相界附近的固溶體[001]方向d₃₃高達450pC/N，其多晶體也有很好的性能。另一方面，從材料設計的方面考慮，可以控制晶體中各晶面的晶粒取向和分布，得到性能良好的，接近單晶的各向異性的多晶體。織構化，是提高多晶陶瓷壓電性能一條行之有效的途徑。

反應模晶生長法(Reactive?Templated?Grain?Growth，RTGG)是提高多晶體壓電性能的簡單而有效的方法。RTGG方法是向陶瓷基體中加入少量種晶，通過流延(tape?casting)將種晶定向排列，然后通過熱處理使基體晶粒延種晶定向生長，最終基體晶粒取向與種晶相同而形成織構化多晶陶瓷。該方法制造工藝比生產普通多晶陶瓷并不復雜多少，生產成本比生產單晶低很多，這使得工業化大量生產織構化無鉛壓電陶瓷成為可能。而在RTGG方法制備無鉛壓電陶瓷過程中，高質量種晶的制備成為了其中最關鍵的技術之一。

目前NBT基織構化無鉛壓電陶瓷使用的種晶為片狀的鈦酸鉍或者鈦酸鍶。但是鈦酸鍶與NBT的晶格常數有所失配，而且作為第二相物質引入NBT基體也會對其壓電性能產生不利影響。鈦酸鉍種晶由于在制備過程中加入量較大會使得NBT基壓電陶瓷難以致密化。二者均有不同程度的缺陷從而嚴重限制了其作為種晶的應用。因此，尋找一種更適合RTGG法制備NBT基織構化無鉛壓電陶瓷的種晶及制備方法是提高NBT基陶瓷材料壓電性能的關鍵技術。該種晶體應該具有合適的晶體結構(最好與NBT基體同質)；合適的形狀(過大或過小都不好，長厚比大，10×10×1μm較為適宜)；良好的熱穩定性(不與基體反應，不與液相助燒劑反應)。

發明內容

本發明的目的在于提供一種片狀微米級鈦酸鉍鈉晶體及一種簡單有效的制備該片狀微米級鈦酸鉍鈉晶體的方法。該種晶體為片狀外形，具有立方或四方相鈣鈦礦結構，而且不會成為NBT基陶瓷材料的第二相。

本發明提供了一種片狀微米級鈦酸鉍鈉晶體，其特征在于，所述片狀晶體為長方形外形，長寬為10～15μm，厚約為0.5μm。

本發明提供了一種通過熔鹽法和拓撲化學法制備片狀微米級鈦酸鉍鈉晶體的方法。該方法包括以下步驟：

(1)以三氧化二鉍、二氧化鈦為起始原料，按摩爾比為2∶3的配比混合。然后稱量與之總質量相等的NaCl和KCl的混合物，NaCl和KCl的摩爾比為1∶1。將上述兩種混合物球磨混合并烘干后放入氧化鋁坩堝，密封后在1100℃保溫1h，燒成產物中的NaCl和KCl熔鹽用去熱的離子水反復超聲清洗，得到片狀的鈦酸鉍(Bi₃Ti₄O₁₂)種晶；

(2)將步驟(1)得到的鈦酸鉍種晶與碳酸鈉、二氧化鈦按1∶2∶5摩爾比混合。將三者的混合物與NaCl按質量比1∶1混合，1080℃保溫3h，燒成產物中的NaCl熔鹽用熱去離子水超聲清洗，得到片狀的NBIT(Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅)晶體；

(3)將步驟(2)得到NBIT晶體與碳酸鈉、二氧化鈦按1∶2∶5摩爾比混合，混合物與NaCl按質量比1∶1混合，800～1000℃保溫2～10h，產物中的NaCl熔鹽用熱去離子水清洗，得到片狀的NBT(Na_0.5Bi_0.5TiO₃)晶體。

本發明主要特點如下：