[發明專利]一種兩步水熱法合成無鉛壓電陶瓷K0.65Na0.35NbO3粉體的方法

有效

• 申請號: 201410333443.2
• 申請日: 2014-07-14
• 公開（公告）號: CN104098334A
• 公開（公告）日: 2014-10-15
• 發明（設計）人: 蒲永平;劉雨雯;靳乾
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495;C04B35/626
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 蔡和平

技術領域

本發明涉及壓電陶瓷粉體制備領域，尤其是一種兩步水熱法合成無鉛壓電陶瓷K_0.65Na_0.35NbO₃粉體的方法。

背景技術

目前使用的壓電陶瓷材料以鋯鈦酸鉛，其中鉛基壓電陶瓷中氧化鉛約占原材料總重量的70％。由于氧化鉛是一種易揮發的有毒物質，在使用和廢棄后的處理過程中給人類及生態環境造成嚴重危害；同時在制備過程中需要密封燒結，不僅增大了產品成本，也造成了產品的性能一致性差。隨著社會可持續發展戰略的實施和人們環保意識的增強，無鉛壓電陶瓷材料的研究和應用更日益引起人們的關注。相比于PZT等鉛基壓電陶瓷,多年來備受重視的堿金屬鈮酸鹽陶瓷(KNbO₃、NaNbO₃、LiNbO₃)各方面都有著更為優異的性能，即介電常數小、頻率常數大、壓電性高以及密度小等等。此外，又由于Nb、Na、K等金屬離子對人體和自然環境來說都屬無毒物質，并且NaNbO₃-KNbO₃體系在改進傳統燒結工藝之后，各項性能都能大大優于其它體系的無鉛壓電陶瓷；而相對于PZT陶瓷，(K,Na)NbO₃陶瓷還具有更適宜的介電常數、較低的機械Qm值，低密度以及高的聲傳播速度等優點，因而在高頻換能器領域也得到了應用。最重要是，(K,Na)NbO₃陶瓷高達400℃的居里溫度，有望實現在高溫條件下的高性能器件的開發使用。SaitoY等人成功研制的KNN基取向無鉛壓電陶瓷的電性能可與PZT相媲美，進而創造KNN基壓電陶瓷的研究價值。毫無疑問，NaNbO₃-KNbO₃體系陶瓷又成為備受矚目的研究對象。

鈮酸鉀鈉的性能與其純度、顆粒形狀、顆粒尺寸及分布有關。因此，希望得到高純度、盡可能小的顆粒尺寸、以及高致密度的顆粒。為了這一目的，相繼采用了化學沉淀法、溶膠-凝膠法，以上方法或是操作復雜，或者就是工藝復雜，周期長，重復性差。相比之下，水熱法具有合成鈮酸鉀鈉的一定優勢，所以是大部分研究員采用的方法，但是傳統水熱法無法避免問題：由于K、Na兩種離子與Nb的結合能力相差太大，若是通過傳統一步水熱法合成，往往(K，Na)NbO₃粉體中根本體現不出來K的存在；但是采用NaNbO₃、KNbO₃分開合成再混合，若是在洗滌過程中混合，(K，Na)NbO₃的鉀、鈉比根本不能準確的控制；若是將制備好的NaNbO₃、KNbO₃粉體稱量混合，雖然還可以保證準確鉀、鈉比，但又將面臨混合后均勻度無法保障。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術中存在的問題，提供一種材料成分配比準確、晶粒尺寸小且均勻、純度高的兩步水熱法合成無鉛壓電陶瓷K_0.65Na_0.35NbO₃粉體的方法。

本發明的技術方案是：

包括以下步驟：

第一步：分別在氫氧化鉀溶液和氫氧化鈉溶液中加入五氧化二鈮，其中氫氧化鉀和五氧化二鈮、氫氧化鈉和五氧化二鈮的摩爾比均為(2～24):1，攪拌形成均勻的KNbO₃前驅液和NaNbO₃前驅液，將KNbO₃前驅液和NaNbO₃前驅液分別密封并進行水熱合成，反應完成后得到粉體，最后將粉體分別進行洗滌、烘干得到KNbO₃粉體和NaNbO₃粉體；

第二步：經研磨工藝，按所需制備粉體的化學計量比取KNbO₃、NaNbO₃粉體，在水中混合均勻并密封進行水熱合成，反應完成后得到混合溶液，將其干燥既得無鉛壓電陶瓷K_0.65Na_0.35NbO₃粉體。

所述氫氧化鉀溶液和氫氧化鈉溶液的濃度均為3～12mol/L。

所述第一步中攪拌是使用磁力攪拌器進行攪拌30～70min。

所述第一步中的水熱合成反應是將KNbO₃前驅液和NaNbO₃前驅液分別密封在水熱反應釜中，在180～220℃的溫度下保溫6～10h，反應完成冷卻到室溫。

所述水熱反應釜的填充度為65～90％。