[發(fā)明專利]一種多孔無鉛壓電陶瓷的制備方法

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• 申請日: 2017-02-10
• 公開（公告）號: CN106747610A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設計）人: 杜嫻;杜慧玲;馬萬里
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: C04B38/06
• 分類號: C04B38/06;C04B35/462;C04B35/63;C04B35/636
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 范巍

技術領域

本發(fā)明涉及一種多孔無鉛壓電陶瓷材料的制備方法，所制得材料應用于壓電諧振式甲烷傳感器。

背景技術

埋于地下的煤炭資源通過變質生成的氣體總稱為瓦斯，其中主要包括甲烷，及幾種簡單烴類氣體、CO、CO₂和H₂S等氣體，其中甲烷含量高達80％。甲烷是一種無色、無味、易燃易爆的非極性氣體。煤層中吸附和滯留了大量的瓦斯氣體，資源開采的同時瓦斯將不斷釋放。煤礦井下日常生產中，瓦斯爆炸、火災和人員窒息等災難性事故往往發(fā)生于巷道內的甲烷與純凈空氣的體積百分比超過1％的情況下。壓電諧振式傳感器利用壓電效應可實現(xiàn)電能和機械能相互轉換的原理制作。其在電場作用下可產生微小的位移量，這個位移量最多達到其自身尺寸的千萬分之一，稱為逆壓電效應，利用該特性可將壓電傳感器應用于新型微電子技術、精密儀器控制領域。

鈦酸鉍鈉鉀自身在生產及使用過程中沒有鉛基壓電陶瓷對人身和環(huán)境造成傷害的困擾，且具有優(yōu)異的壓電鐵電性能。使用無鉛壓電式傳感器作為敏感探頭元件，以表面微量質量的變化為信號監(jiān)測甲烷氣體，該類型傳感器不光精度高、靈敏度高，而且是有助環(huán)境友好型壓電材料開發(fā)應用的一項研究。

多孔無鉛壓電陶瓷由于自身具有孔道可以吸附氣體，利用吸附氣體造成的微重量變化檢測氣體濃度。因此能制備出孔隙率高、空隙分布規(guī)律、孔徑大小可控、性能良好的無鉛壓電多孔陶瓷成為壓電諧振式傳感器應用的關鍵點。

薛偉江等利用海藻酸鈉與陶瓷粉體的混合漿料以及氯化鈣固化劑制備得到一維定向孔道氧化鋁蜂窩陶瓷，在此基礎上，中北大學的楊金龍、徐靜等研究了利用海藻酸鈉凝膠法制備PZT陶瓷的工藝。但是，目前尚未見到制備直通孔無鉛壓電多孔陶瓷的報道。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種多孔無鉛壓電陶瓷的制備方法，該方法可以采用諸如鈦酸鉍鈉鉀系等無鉛陶瓷粉體，制得具有直通孔結構的無鉛壓電多孔陶瓷。

為達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案：

1)將海藻酸鈉溶液、分散劑與無鉛陶瓷粉體混合后球磨至所述粉體分散均勻，得漿料A；其中，分散劑選自阿拉伯樹膠，為了獲得較好的多孔結構(即孔隙率高、孔道規(guī)則的直通孔)，漿料的固相含量不宜過高，無鉛陶瓷粉體在海藻酸鈉溶液中的固相含量控制在≤20％；

2)將漿料A通過真空脫氣除去氣泡，得漿料B；

3)將漿料B注入模具中，然后向漿料B表面分次噴灑固化劑，噴灑結束后靜置至模具內的漿料固化成型為坯體，其中，固化劑選自Ca²⁺離子；

4)將坯體脫模后切掉噴灑固化劑的對應表面所形成的薄膜，得到濕坯A；

5)通過將濕坯A在葡萄糖酸內酯溶液中進行離子置換，使得固化劑脫出坯體，得到濕坯B；

6)通過將濕坯B在叔丁醇中進行溶劑置換，使得水分脫出坯體，得到濕坯C；溶劑置換所選用溶劑為叔丁醇，由于叔丁醇的表面張力比水小很多，能最大限度的保持孔道結構完好，減少干燥收縮對孔道結構的影響。

7)將濕坯C真空冷凍干燥，得到干坯；制備出來的濕坯固相含量也較低，在坯體自然干燥的過程中容易坍塌開裂，因此在溶劑置換基礎上，采用真空冷凍干燥的方法將坯體干燥；

8)將干坯燒結，得到多孔無鉛壓電陶瓷。

所述無鉛陶瓷粉體選自鈦酸鉍鈉鉀系陶瓷粉體。鈦酸鉍鈉鉀系無鉛陶瓷粉體可采用傳統(tǒng)的固相法制備，例如通過計算、稱量、球磨、預燒等一系列過程制備出高純相的陶瓷粉體。

所述分散劑的用量(相對于無鉛陶瓷粉體)為3-5wt％。

所述海藻酸鈉溶液的濃度為10-25wt％。將海藻酸鈉溶于水中攪拌混合均勻制成海藻酸鈉溶液。

所述粉體在海藻酸鈉溶液中的固相含量為5-20wt％，球磨時間為4-6小時。固相含量選定在5-20wt％可滿足燒結后的多孔陶瓷對于高孔隙率以及孔道規(guī)則的要求。

所述真空脫氣采用真空烘箱，溫度為20-30℃，時間為10-30分鐘，真空度為＜110Pa。

所述噴灑固化劑具體包括以下步驟：向所述漿料B表面先噴灑一層濃度為1-1.5moL/L CaCl₂溶液，待表面形成穩(wěn)定的膜后繼續(xù)噴灑剩余的CaCl₂溶液，CaCl₂溶液與漿料A的體積比為1:(2-3)；噴灑結束后于20-30℃下靜置40-50小時。