專利名稱：一種鋰、銻摻雜的鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法
技術領域：
本發明涉及功能陶瓷領域的壓電陶瓷，具體的說是一種鋰、銻摻雜的鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法。
背景技術：
壓電陶瓷材料具有化學性質穩定，易于制備成各種形狀、尺寸和極化方向的產品， 能通過摻雜和置換取代改性得到適合不同需要的具有不同特性的陶瓷，并且價格低廉，因而得到了廣泛的應用。在眾多無鉛壓電陶瓷中，(Na0.5K0.5) NbO3基壓電陶瓷目前被認為是最有前景的無鉛壓電陶瓷。現有技術中通過鋰、銻、鉭等元素進行A位或B位替代，可將(Naa5Ka5)NbO3陶瓷的正交 四方相變溫度從200°C左右降低到室溫左右，使得材料在室溫下具有兩相共存的結構，從而大幅度提高鈮酸鉀鈉基陶瓷的壓電性能。這些材料的合成均為將原料直接混合，然后在一定的工藝條件下制成，由于這種材料的結構僅在相變點附近存在，因此優異的壓電性能也僅僅在相變點附近存在。這些壓電性能優異的陶瓷存在這樣的共同缺點室溫下優異的壓電性能隨著溫度的變化而迅速降低，即溫度穩定性差。
發明內容
為解決鈮酸鉀鈉基陶瓷的壓電性能隨溫度變化迅速降低的問題，本發明提供了一種鋰、銻摻雜的鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法。本發明為解決上述技術問題采用的技術方案為一種鋰、銻摻雜的鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下兩大步驟
分別制備具有通式( . 52K0.48) 1_xLixSbyNb1_y03的鈮酸鉀鈉基陶瓷的A粉料和B粉料，其中，A粉料中0. 075 ^ χ ^ 0. 065，0. 06彡y彡0. 05 ；B粉料中0. 04彡χ彡0. 05， 0. 03 ^ y ^ 0. 04 ；
其次，將A粉料和B粉料等摩爾比混合，在一定條件下制備鈮酸鉀鈉基陶瓷； 具體操作方法如下
1)將分析純化學試劑碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鋰、三氧化二銻和五氧化二鈮干混為A原配料，各原料的加入量按摩爾比為0. 48廣0. 4862mol的碳酸鈉、0. 444 0. 4488mol的碳酸鉀、0. 075 0. 065mol的碳酸鋰、0. 06 0. 05mol的三氧化二銻和0. 94 0. 95mol的五氧化二鈮，且加入的碳酸鈉和碳酸鉀的摩爾比為0. 52:0. 48 ；將A原配料裝入尼龍球磨罐中，加入酒精然后進行球磨，轉速為120轉/分，球磨12小時，得到料漿；然后將球磨后的料漿在 2rC 150°C下烘干后，送入粉末壓片機內，在SOMI^a的條件下壓制成直徑為30毫米的圓片， 圓片再送入馬弗爐內，在875°C下煅燒4小時，然后自然冷卻至21°C，制得A粉料，備用；
2)將分析純化學試劑碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鋰、三氧化二銻和五氧化二鈮干混為B原配料，各原料的加入量按摩爾比為0. 4992、. 494mol的碳酸鈉、0. 4608、. 456mol的碳酸鉀、 0. 04 0. 05mol的碳酸鋰、0. 03 0. 04mol的三氧化二銻和0. 97 0. 96mol的五氧化二鈮，且加入的碳酸鈉和碳酸鉀的摩爾比為0. 52 0. 48 ；將B原配料裝入尼龍球磨罐中，加入酒精然后進行球磨，轉速為120轉/分，球磨12小時，得到料漿；然后將球磨后的料漿在21°C ^150°C 下烘干后，送入粉末壓片機內，在SOMPa的條件下壓制成直徑為30毫米的圓片，圓片再送入馬弗爐內，在875 °C下煅燒4小時，然后自然冷卻至21°C，制得B粉料，備用；
3)分別對步驟1中的A粉料和步驟2中的B粉料進行粉碎、研磨，然后將A粉料與B 粉料按摩爾比為1 :1進行混合并送入球磨機，球磨機中加入酒精進行球磨，轉速為120轉/ 分鐘，球磨4小時，將球磨后的混合料在21°C 150°C下烘干，送入粉末壓片機，在SOMPa條件下，壓制成直徑為30毫米的圓片，然后將壓制后的圓片送入馬弗爐內，在600°C下煅燒2 小時后，自然冷卻至21°C，備用；
4)將步驟3中的圓片粉碎、研磨，再加入酒精以135轉/分的速度用球磨機球磨6小時，球磨后的料漿烘干后稱量其重量，而后在烘干后的料漿中加入其重量6%、濃度為10%的聚乙烯醇溶液，在160MPa的壓力條件下用粉末壓片機壓成直徑15毫米、厚1. 2毫米的圓片；
5)將步驟4得到的圓片在650°C條件下排膠1小時，然后在1075°C燒結3小時，冷卻至 21°C，得到產品；
上述步驟中，在球磨時加入的酒精，其濃度為99%，加入量沒過待球磨的物料0. 5cm ； 上述步驟中，球磨時所用的研磨球均為氧化鋯球，氧化鋯球與物料的質量比為4 1， 放入的氧化鋯球為三種，其直徑分別為8. 5mm、4. 5mm、2.6mm，且質量比為4 3 4。有益效果本發明采用兩步法合成鋰、銻摻雜的鈮酸鉀鈉基陶瓷，與傳統一步法合成的產物相比具有在保持較高壓電性能的同時，其溫度穩定性較原有方法制得的鋰、銻摻雜的鈮酸鉀鈉基陶瓷要好，如附圖所示，在0 80°C之間，其壓電常數式3均保持在250 275PC/N之間，而常規方法制得的鈮酸鉀鈉基陶瓷，其壓電常數式3在0 80°C時波動范圍為220 275PC/N，因此，本方法制得的鈮酸鉀鈉基陶瓷的壓電常數^3的溫度穩定性得到了很大程度的提高。
圖1為實施例1制備的鈮酸鉀鈉基陶瓷的壓電常數溫度變化圖； 圖2為實施例2制備的鈮酸鉀鈉基陶瓷的壓電常數溫度變化圖3為實施例3制備的鈮酸鉀鈉基陶瓷的壓電常數溫度變化圖。圖中標號C1為實施例1制得的樣品，C2為實施例2制得的樣品，C3為實施例3 制得的樣品，D為常規方法制得的鈮酸鉀鈉基陶瓷樣品。
具體實施例方式實施例1
一種鋰、銻摻雜的鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下步驟 1)將分析純化學試劑碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鋰、三氧化二銻和五氧化二鈮按照摩爾比為0. 48Imol的碳酸鈉、0. 444mol的碳酸鉀、0. 075mol的碳酸鋰、0. 06mol的三氧化二銻和 0. 94mol的五氧化二鈮干混為A原配料；將A原配料裝入尼龍球磨罐中，加入酒精進行研磨，轉速為120轉/分，研磨12小時；然后將研磨后的料漿在21°C 150°C下烘干后，用粉末壓片機在SOMI^a壓強下壓制成直徑30毫米的圓片，圓片再用馬弗爐在875°C下預燒4小時， 自然冷卻至室溫，制得A粉料；
2)將分析純化學試劑碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鋰、三氧化二銻和五氧化二鈮按照摩爾比為0. 4992mol的碳酸鈉、0. 4608mol的碳酸鉀、0. 04mol的碳酸鋰、0. 03mol的三氧化二銻和 0. 97mol的五氧化二鈮干混為B原配料；將B原配料裝入尼龍球磨罐中，加入酒精進行研磨，轉速為120轉/分，研磨12小時；然后將研磨后的料漿在21°C 150°C下烘干后，用粉末壓片機在SOMI^a壓強下壓制成直徑30毫米的圓片，圓片再用馬弗爐在875°C下預燒4小時， 自然冷卻至室溫，制得B粉料；
3)將步驟1和2中的A粉料和B粉料制成的圓片分別進行粉碎研磨后，按等量摩爾比混合并加入酒精以120轉/分的速度用球磨機球磨4小時，球磨后的料漿在21°C 150°C下烘干后再用粉末壓片機在SOMPa壓強下壓制成直徑30毫米的圓片，圓片用馬弗爐在600°C 下煅燒2小時自然冷卻至室溫；
4)將步驟3中的圓片粉碎研磨后，再加入酒精以135轉/分的速度用球磨機球磨6小時，球磨后的料漿烘干后稱量其質量，而后在烘干后的料漿中加入其重量6%、濃度為10%的聚乙烯醇溶液，在160MPa的壓力下用粉末壓片機壓成直徑15毫米、厚1. 2毫米的圓片；
5)將步驟4得到的圓片在650°C下排膠1小時，然后在1075°C燒結3小時，冷卻后即可得到鈮酸鉀鈉基陶瓷。選取本發明的鈮酸鉀鈉基陶瓷樣品Cl和常規方法制的的鈮酸鉀鈉基陶瓷樣品D， 分別測試其在不同溫度下的壓電常數式3，并繪制圖表，如附圖1所示，采用本方法制得的鈮酸鉀鈉基陶瓷的壓電常數在(T80°c均穩定保持在260 275PC/N之間；經過檢測分析得出制的Cl樣品的A粉料和B粉料的成分分別為(Naa52Ka48)a 925Liac^batl6Nba94O3和(Naa52K 0. 48/ 0. 96^ ο. 04外0· O3Nb0.9703, D陶瓷樣品的成分為(Naa52Ka48)
0. 9425^ θ. 0575Sb0. 045^0. 955Ο3。實施例2
一種鋰、銻摻雜的鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下步驟
1)將分析純化學試劑碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鋰、三氧化二銻和五氧化二鈮按照摩爾比為 0. 4836mol的碳酸鈉、0. 4464mol的碳酸鉀、0. 07mol的碳酸鋰、0. 055mol的三氧化二銻和 0. 945mol的五氧化二鈮干混為A原配料；將A原配料裝入尼龍球磨罐中，加入酒精進行研磨，轉速為120轉/分，研磨12小時；然后將研磨后的料漿在21°C 150°C下烘干后，用粉末壓片機在SOMPa壓強下壓制成直徑30毫米的圓片，圓片再用馬弗爐在875°C下預燒4小時， 自然冷卻至室溫，制得A粉料；
2)將分析純化學試劑碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鋰、三氧化二銻和五氧化二鈮按照摩爾比為 0. 4966mol的碳酸鈉、0. 4584mol的碳酸鉀、0. 045mol的碳酸鋰、0. 035mol的三氧化二銻和 0. 965mol的五氧化二鈮干混為B原配料；將B原配料裝入尼龍球磨罐中，加入酒精進行研磨，轉速為120轉/分，研磨12小時；然后將研磨后的料漿在21°C 150°C下烘干后，用粉末壓片機在SOMI^a壓強下壓制成直徑30毫米的圓片，圓片再用馬弗爐在875°C下預燒4小時， 自然冷卻至室溫，制得B粉料；
3)將步驟1和2中的A粉料和B粉料制成的圓片分別進行粉碎研磨后，按等量摩爾比混合并加入酒精以120轉/分的速度用球磨機球磨4小時，球磨后的料漿在21°C 150°C下烘干后再用粉末壓片機在SOMPa壓強下壓制成直徑30毫米的圓片，圓片用馬弗爐在600°C下煅燒2小時自然冷卻至室溫；
4)將步驟3中的圓片粉碎研磨后，再加入酒精以135轉/分的速度用球磨機球磨6小時，球磨后的料漿烘干后稱量其質量，而后在烘干后的料漿中加入其重量6%、濃度為10%的聚乙烯醇溶液，在160MPa的壓力下用粉末壓片機壓成直徑15毫米、厚1. 2毫米的圓片；
5)將步驟4得到的圓片在650°C下排膠1小時，然后在1075°C燒結3小時，冷卻后即可得到鈮酸鉀鈉基陶瓷。選取本發明的鈮酸鉀鈉基陶瓷樣品C2和常規方法制的的鈮酸鉀鈉基陶瓷樣品D， 分別測試其在不同溫度下的壓電常數式3，并繪制圖表，如附圖2所示，采用本方法制得的鈮酸鉀鈉基陶瓷的壓電常數在(T80°C均穩定保持在255 275PC/N之間；經過檢測分析得出制的
Cl 樣品的 A 粉料和 B 粉料的成分分別為(Naa52Ka48)a93Liatl7Sbatl55Nba 945O3 和(Naa52Ktl .48) 0.955Li0.o45Sb0.035Nb0.96503, D 1 !^! W) ^(Ν&0. 48) 0.9425Li0.0575Sb0.045Nb0.95503。實施例3
一種鋰、銻摻雜的鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下步驟
1)將分析純化學試劑碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鋰、三氧化二銻和五氧化二鈮按照摩爾比為 0. 4862mol的碳酸鈉、0. 4488mol的碳酸鉀、0. 065mol的碳酸鋰、0. 05mol的三氧化二銻和 0. 95mol的五氧化二鈮干混為A原配料；將A原配料裝入尼龍球磨罐中，加入酒精進行研磨，轉速為120轉/分，研磨12小時；然后將研磨后的料漿在21°C 150°C下烘干后，用粉末壓片機在SOMI^a壓強下壓制成直徑30毫米的圓片，圓片再用馬弗爐在875°C下預燒4小時， 自然冷卻至室溫，制得A粉料；
2)將分析純化學試劑碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鋰、三氧化二銻和五氧化二鈮按照摩爾比為0. 494mol的碳酸鈉、0. 456mol的碳酸鉀、0. 05mol的碳酸鋰、0. 04mol的三氧化二銻和 0. 96mol的五氧化二鈮干混為B原配料；將B原配料裝入尼龍球磨罐中，加入酒精進行研磨，轉速為120轉/分，研磨12小時；然后將研磨后的料漿在21°C 150°C下烘干后，用粉末壓片機在SOMI^a壓強下壓制成直徑30毫米的圓片，圓片再用馬弗爐在875°C下預燒4小時， 自然冷卻至室溫，制得B粉料；
3)將步驟1和2中的A粉料和B粉料制成的圓片分別進行粉碎研磨后，按等量摩爾比混合并加入酒精以120轉/分的速度用球磨機球磨4小時，球磨后的料漿在21°C 150°C下烘干后再用粉末壓片機在SOMPa壓強下壓制成直徑30毫米的圓片，圓片用馬弗爐在600°C 下煅燒2小時自然冷卻至室溫；
4)將步驟3中的圓片粉碎研磨后，再加入酒精以135轉/分的速度用球磨機球磨6小時，球磨后的料漿烘干后稱量其質量，而后在烘干后的料漿中加入其重量6%、濃度為10%的聚乙烯醇溶液，在160MPa的壓力下用粉末壓片機壓成直徑15毫米、厚1. 2毫米的圓片；
5)將步驟4得到的圓片在650°C下排膠1小時，然后在1075°C燒結3小時，冷卻后即可得到鈮酸鉀鈉基陶瓷。選取本發明的鈮酸鉀鈉基陶瓷樣品C3和常規方法制的的鈮酸鉀鈉基陶瓷樣品D， 分別測試其在不同溫度下的壓電常數式3，并繪制圖表，如附圖3所示，采用本方法制得的鈮酸鉀鈉基陶瓷的壓電常數在(T80°C均穩定保持在245 275PC/N之間；經過檢測分析得出制的Cl樣品的A粉料和B粉料的成分分別為(Naa52Ka48)a95Liac^batl5Nba95O3和(Naa52Ka48)o.95Li0.05Sb0.04Nb0.9603, D 陶瓷樣品的成分為(Νει0.52K0.48)
0. 9425^ θ. 0575§b0. 045^0. 955〇3。 綜上所述，采用本發明的兩步法，通過合成具有通式(Naa52Ka48)1ILixSbyNlvyO3結構的A粉料和B粉料，再將A粉料和B粉料等摩爾混合做成最終的鈮酸鉀鈉基陶瓷，最終得到的產物其壓電常式3的溫度穩定性均好于常規方法制的的鈮酸鉀鈉基陶瓷，最優選的配方為實施例1中的配方，其壓電常數式3在0、01范圍內變化很小。
權利要求
1. 一種鋰、銻摻雜的鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，包括以下兩大步驟分別制備具有通式( . 52K0.48) 1_xLixSbyNb1_y03的鈮酸鉀鈉基陶瓷的A粉料和B粉料，其中，A粉料中0. 075 ^ χ ^ 0. 065，0. 06彡y彡0. 05 ；B粉料中0. 04彡χ彡0. 05， 0. 03 ^ y ^ 0. 04 ；其次，將A粉料和B粉料等摩爾比混合，在一定條件下制備鈮酸鉀鈉基陶瓷；具體操作方法如下1)將分析純化學試劑碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鋰、三氧化二銻和五氧化二鈮干混為A原配料，各原料的加入量按摩爾比為0. 48廣0. 4862mol的碳酸鈉、0. 444 0. 4488mol的碳酸鉀、0. 075 0. 065mol的碳酸鋰、0. 06 0. 05mol的三氧化二銻和0. 94 0. 95mol的五氧化二鈮，且加入的碳酸鈉和碳酸鉀的摩爾比為0. 52:0. 48 ；將A原配料裝入尼龍球磨罐中，加入酒精然后進行球磨，轉速為120轉/分，球磨12小時，得到料漿；然后將球磨后的料漿在 2rC 150°C下烘干后，送入粉末壓片機內，在SOMI^a的條件下壓制成直徑為30毫米的圓片， 圓片再送入馬弗爐內，在875°C下煅燒4小時，然后自然冷卻至21°C，制得A粉料，備用；2)將分析純化學試劑碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鋰、三氧化二銻和五氧化二鈮干混為B原配料，各原料的加入量按摩爾比為0. 4992、. 494mol的碳酸鈉、0. 4608、. 456mol的碳酸鉀、 0. 04 0. 05mol的碳酸鋰、0. 03 0. 04mol的三氧化二銻和0. 97 0. 96mol的五氧化二鈮，且加入的碳酸鈉和碳酸鉀的摩爾比為0. 52 0. 48 ；將B原配料裝入尼龍球磨罐中，加入酒精然后進行球磨，轉速為120轉/分，球磨12小時，得到料漿；然后將球磨后的料漿在21°C ^150°C 下烘干后，送入粉末壓片機內，在SOMI^a的條件下壓制成直徑為30毫米的圓片，圓片再送入馬弗爐內，在875°C下煅燒4小時，然后自然冷卻至21°C，制得B粉料，備用；3)分別對步驟1中的A粉料和步驟2中的B粉料進行粉碎、研磨，然后將A粉料與B 粉料按摩爾比為1 :1進行混合并送入球磨機，球磨機中加入酒精進行球磨，轉速為120轉/ 分鐘，球磨4小時，將球磨后的混合料在21°C 150°C下烘干，送入粉末壓片機，在SOMPa條件下，壓制成直徑為30毫米的圓片，然后將壓制后的圓片送入馬弗爐內，在600°C下煅燒2 小時后，自然冷卻至21°C，備用；4)將步驟3中的圓片粉碎、研磨，再加入酒精以135轉/分的速度用球磨機球磨6小時，球磨后的料漿烘干后稱量其重量，而后在烘干后的料漿中加入其重量6%、濃度為10%的聚乙烯醇溶液，在160MPa的壓力條件下用粉末壓片機壓成直徑15毫米、厚1. 2毫米的圓片；5)將步驟4得到的圓片在650°C條件下排膠1小時，然后在1075°C燒結3小時，冷卻至 21°C，得到產品；上述步驟中，在球磨時加入的酒精，其濃度為99%，加入量沒過待球磨的物料0. 5cm ；上述步驟中，球磨時所用的研磨球均為氧化鋯球，氧化鋯球與物料的質量比為4 1， 放入的氧化鋯球為三種，其直徑分別為8. 5mm、4. 5mm、2.6mm，且質量比為4 3 4。
全文摘要
一種鋰、銻摻雜的鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法，首先制備具有通式(Na0.52K0.48)1-xLixSbyNb1-yO3的鈮酸鉀鈉基陶瓷的A粉料和B粉料，其中，A粉料中0.075≤x≤0.065，0.06≤y≤0.05；B粉料中0.04≤x≤0.05，0.03≤y≤0.04；然后將A粉料和B粉料等摩爾比混合，再制備最終的鋰、銻摻雜的鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷。本發明采用兩步法合成鋰、銻摻雜的鈮酸鉀鈉基陶瓷，在0～80℃之間，其壓電常數d33均保持在250～275PC/N之間，與傳統一步法合成的產物相比在保持較高壓電性能的同時，其溫度穩定性較原有方法制得的鋰、銻摻雜的鈮酸鉀鈉基陶瓷也要好。
文檔編號C04B35/622GK102491752SQ20111036795
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者李新忠, 李立本, 杜凱, 臧國忠 申請人:河南科技大學