单相结构的纳米级钛酸铋钠陶瓷粉体的制备方法

文档序号:10546475阅读:322来源:国知局
单相结构的纳米级钛酸铋钠陶瓷粉体的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种单相结构的纳米级钛酸铋钠陶瓷粉体的制备方法,包括以下步骤:①、按比例将TiCl4缓慢滴入蒸馏水中,然后缓慢加入浓氨水调pH值至6~8,产生沉淀,然后真空抽滤并洗涤所述沉淀,得TiO2滤饼;②、将NaOH、Bi2O3与TiO2滤饼一并放入研钵中,研磨1~3h,使原料充分反应,然后用醋酸水溶液调pH值至6~8,烘干,得粉体;③、将步骤②所得粉体于500~800℃条件下保温0.5~3h,即得单相结构的纳米级钛酸铋钠陶瓷粉体。本发明的制备方法简便、操作简单,反应时间相对较短,费用成本低,适用于大批量的生产。采用本发明的方法制备出纳米级钛酸铋钠无铅压电陶瓷粉体,主要有以下优点:1、为单相结构的纯瓷粉,2、粉体粒径均匀,颗粒度小,粉体颗粒尺寸约为200nm。
【专利说明】
单相结构的纳米级铁酸祕纳陶瓷粉体的制备方法
技术领域
[0001] 本发明设及无铅压电陶瓷瓷粉的制备工艺,具体的说是一种单相结构的纳米级铁 酸祕钢陶瓷粉体的制备方法。
【背景技术】
[0002] 压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。压电材料主要分 无机压电材料和有机压电材料,其中,无机压电材料又分为压电晶体和压电陶瓷,压电晶体 一般指压电单晶体,压电陶瓷则泛指压电多晶体。传统的压电陶瓷主要是W含铅的错铁酸 铅(PZT )系材料为主,其主要成分是氧化铅(60~70% W上)。氧化铅是一种易挥发的 有毒物质,在生产、使用及废弃后的处理过程中,都会给人类和生态环境造成损害。饥0的挥 发也会造成陶瓷中的化学计量比的偏离,使产品的一致性和重复性降低,需要密封烧结,使 成本提高。
[0003] 发展绿色材料及技术是材料科学的研究趋势之一,压电陶瓷材料在日常生活中应 用非常普遍,因此,研究开发高性能的无铅压电陶瓷具有非常重要的科学意义和紧迫的市 场需求,也逐渐成为研究的热点。
[0004] 在目前的情况下,研究人员正在寻求一种能够代替Pb基系统的无铅压电材料。在 众多压电材料当中,铁酸祕钢((Nai/2Bii/2)Ti〇3,NBT)脱颖而出,它良好的压电性能,引起了 研究者的兴趣。
[0005] NBT是1961年Smolenskii等人首次合成并发现。随着科技的发展无铅压电陶瓷NBT 基材料在应用领域起到重要作用。由于大位移、高应力、低能耗、低成本,已广泛应用于加速 度计、超声波电机、谐振器、微流体分离器、超声波换能器等领域。NBT是重要的无铅铁电材 料,具有AB化巧铁矿型铁电性质,它具有大的剩余极化、高的居里溫度Tc=320°C,并且有较 复杂的相变序列,在540 T左右,NBT为立方相(C,^3m);在320°別寸转变为四方相(T,P4bm), 室溫下,BP和化巧A位有复杂的R3c菱形对称。并且NBT具有铁电性强、压电系数大、介电常 数小、声学性能好等优良特性,而且其烧结溫度较低,被认为是最具吸引力的无铅压电陶瓷 材料体。
[0006] NBT陶瓷粉体的形貌、化学成分的均匀性等,直接影响着陶瓷材料的组成与结构乃 至其电学性能。NBT的传统制备方法是固相烧结法,运种方法的缺点是颗粒易凝聚在一起导 致颗粒大小不均一。其他专家课题组也提出W下其他制备方法,如,烙盐法、燃烧法、水热 法、溶胶-凝胶法、化学沉淀法等。烙盐法制备溫度较高,设备要求也较高。燃烧法中多使用 有机溶剂,毒性较大,水热法和溶胶-凝胶法的成本太高且操作复杂,W上Ξ种不利于工业 化生产。而化学沉淀法操作复杂,形貌控制一般。

【发明内容】

[0007] 本发明的目的是提供一种单相结构的纳米级铁酸祕钢陶瓷粉体的制备方法,W解 决现有的制备方法存在的产品形貌差、颗粒大小不均一的问题,或现有方法因成本高、环境 友好性差而不利于工业化生产的问题。
[000引本发明的目的是运样实现的: 一种单相结构的纳米级铁酸祕钢陶瓷粉体的制备方法,其包括W下步骤: ① 、按体积比10~12:100,将Tick缓慢滴入蒸馈水中,然后缓慢加入浓度22~25%的浓氨 水,调pH值至6~8,产生沉淀,然后真空抽滤并洗涂所述沉淀,得Ti化滤饼,备用; ② 、将化0H、Bi2化与所述Ti化滤饼一并放入研鉢中,研磨^化,使原料充分反应,然后用 浓度40~60%的醋酸水溶液调抑值至6~8,烘干,得粉体; 其中,WBi203所含Bi元素、NaOH所含化元素计,化元素与Bi元素投料摩尔比为0.5:0.5 <化:81《0.6:0.4;^11(:14所含11元素计,11元素与所述^元素和所述化元素总投料量的 投料摩尔比为1:1 <Ti: Na+Bi《1:1.2; ③ 、将步骤②所得粉体于500~800°C条件下保溫0.5~化,即得单相结构的纳米级铁酸祕 钢陶瓷粉体。
[0009] 所述的单相结构的纳米NBT粉体的制备方法中,步骤①中所述浓氨水的滴加时间 控制在10~20min。
[0010] 优选的,所述的单相结构的纳米NBT粉体的制备方法中,步骤①中所述浓氨水的滴 加时间控制在14~16min,最好是控制在15min。
[0011] 优选的,所述的单相结构的纳米NBT粉体的制备方法中,化元素与Bi元素投料摩尔 比为0.55:0.45《化:Bi《0.6:0.4; Ti元素与所述Bi元素和所述化元素总投料量的投料摩 尔比为 l:l.〇5《Ti:Na+Bi《l:1.2。
[001 ^ 更优选的,化元素与Bi元素投料摩尔比为化:Bi=0.55:0.45,Ti元素与所述Bi元素 和所述Na元素总投料量的投料摩尔比为Ti :Na+Bi=l: 1.15。
[0013] 本发明的制备方法简便、操作简单,反应时间相对较短,费用成本低,适用于大批 量的生产。相对于传统固相烧结工艺制备的无铅压电陶瓷粉体,采用本发明的方法制备出 纳米(亚微米)铁酸祕钢无铅压电陶瓷粉体,主要具有W下优势:1、为单相结构的纯瓷粉,2、 粉体粒径均匀,颗粒度小。
【附图说明】
[0014] 图1本发明制备方法工艺流程图。
[001引图2为实施例1所制备的NBT粉体的沈Μ照片。
[0016]图3为实施例1所制备的ΝΒΤ粉体的邸D谱图。
[0017]图4为对比例1所制备的ΝΒΤ粉体的邸D谱图。
[001引图5为实施例2所制备的ΝΒΤ粉体的XRD谱图。
[0019]图6为对比例2所制备的ΝΒΤ粉体的邸D谱图。
[0020]图7为实施例1所制备的ΝΒΤ粉体的粒径分布图。
[0021 ]图8为对比例3所制备的ΝΒΤ粉体的粒径分布图。
[0022] 图9为实施例1、实施例2、对比例1、对比例2所制备的ΝΒΤ粉体的SEM扫描图。
【具体实施方式】
[0023] 本发明得到国家自然科学基金项目(5 1 30206 1 )、河北省自然科学基金 (2014201076)、国家级大学生创新训练计划项目(201510075011)及河北大学研究生创新资 助项目(X2016084)的支持。
[0024] W下实施例及对比例所用试剂为:TiCU:分析纯,市购可得;浓氨水:浓度25%,市 购可得;醋酸水溶液:体积百分比浓度50%,市购可得;Bi 2化:分析纯,市购可得;化0H:分析 纯,市购可得。
[0025] 实施例1 先将llmL Ti(n4缓慢滴入lOOmL蒸馈水中,然后向该溶液中缓慢滴加浓氨水,调抑值至 7,使Ti02+沉淀,然后真空抽滤、洗涂,得到Ti化滤饼; 将所得Ti化滤饼与12.057g Bi2化和2.530g化0H混合研磨1小时,使原料充分反应,然 后用醋酸水溶液调pH值至7,然后烘干,得粉体; 将所得粉体于800°C条件下保溫1小时,得纳米NBT粉体。
[00%] 本实施例中,浓氨水滴加时间控制在14~16min之间。
[0027] 对本实施例所制备的纳米铁酸祕钢粉体进行SEM电镜扫描,结果如图2所示,由图2 可W看出,本实施例所制备的NBT粉体颗粒粒径均匀,颗粒直径在200nm左右。
[0028] 对本实施例所制备的纳米铁酸祕钢粉体进行XRD检测,结果如图3所示,由图3可W 看出,本实施例所制备的NBT粉体为单相结构的NBT粉体,不含其它杂质。
[0029] 实施例2 先将llmL Ti(n4缓慢滴入lOOmL蒸馈水中,然后向该溶液中缓慢滴加浓氨水,调抑值为 7,使Ti02+沉淀,然后真空抽滤、洗涂,得到Ti化滤饼; 将所得Ti化滤饼与12.057g Bi2〇3和2.530g NaOH混合研磨1.化,使原料充分反应,然后 用醋酸水溶液调pH值至7,然后烘干,粉体; 将所得粉体于800°C条件下保溫3小时,得纳米NBT粉体。
[0030] 本实施例中,浓氨水滴加时间控制在14~16min之间。
[0031] 对本实施例所制备的纳米酸祕钢粉体进行XRD检测,结果如图5所示,由图5可W看 出,本实施例所制备的NBT粉体为单相结构的NBT粉体,不含其它杂质。但沈Μ图显示,由于保 溫时间较长,粉体颗粒直径有所增加。
[0032] 实施例3 与实施例1相比,本实施例中化元素与Bi元素投料摩尔比为0.6:0.4,化元素与Bi元素 总量与Ti元素投料摩尔比为1.2:1,其他条件保持与实施例1 一致。
[0033] 实施例4 与实施例1相比,本实施例中化元素与Bi元素投料摩尔比为0.525:0.475,化元素与Bi 元素总量与Ti元素投料摩尔比为1.05:1,其他条件保持与实施例1 一致。
[0034] 对实施例3~4所制备的纳米NBT粉体进行X畑检测和沈Μ扫描,结果表明在本发明方 法的实施范围所制备的铁酸祕钢粉体均为单相结构,且粉体晶粒粒径均匀,基本与实施例1 所制备的粉体一致。
[0035] 实施例5 与实施例1相比,本实施例的保溫溫度控制在500°C,保溫时间控制在化,其他条件保持 与实施例1 一致。
[0036] 实施例6 与实施例1相比,本实施例的保溫溫度控制在650°C,保溫时间控制在化,其他条件保持 与实施例1 一致。
[0037]对实施例5~6所制备的纳米NBT粉体进行XRD检测,结果表明所制备的铁酸祕钢粉 体均为单相结构,且粉体颗粒粒径均匀,基本与实施例1所制备的粉体一致。
[003引对比例1 先将1 ImL 11(^4缓慢滴入lOOmL蒸馈水中,然后向该溶液中缓慢滴加浓氨水,浓氨水滴 加时间控制在15min调pH值为7,使Ti02+沉淀,然后真空抽滤、洗涂,得到Ti化滤饼; 将所得Ti化滤饼与12.057g Bi203和2.530g NaOH混合研磨0.化,使原料充分反应,然后 用醋酸水溶液调pH值至7,然后烘干,粉体; 将所得粉体于800°C条件下保溫1小时,得纳米NBT粉体。
[0039] 对本对比例所制备的纳米铁酸祕钢粉体进行XRD检测,结果如图4所示,由图4可W 看出,所制备的粉体非单相结构,出现杂峰,运是由于研磨时间较短,所制备的粉体含有未 反应完全的Bi2〇3。
[0040] 对比例2 先将llmL Ti(n4缓慢滴入lOOmL蒸馈水中,然后向该溶液中缓慢滴加浓氨水,调抑值为 7,使Ti02+沉淀,然后真空抽滤、洗涂,得到Ti化滤饼; 将所得Ti化滤饼与11.649g Bi2〇3和2g化細混合研磨1.化,使原料充分反应,然后用醋 酸水溶液调pH值至7,然后烘干,粉体; 将所得粉体于800°C条件下保溫1小时,得纳米NBT粉体。
[0041] 本对比例中,Bi元素与Na元素投料摩尔比为元素与Na元素之和与Ti元素投 料摩尔比为1:1。
[0042] 对本对比例所制备的纳米酸祕钢粉体进行XRD检测,结果如图6所示,由图6可W看 出,本对比例所制备的NBT粉体非单相结构,出现杂峰,运是由于研磨过程中Bi2〇3、化0H会有 少量挥发,使得Ti的比例相对增加,所W在XRD图中显示含有Ti化合物杂质。
[0043] 由图9可W看出,实施例1~2及对比例1~2所制备的铁酸祕钢粉体除粒径大小略有 不同外,粉体颗粒的均匀性都比较均一,均匀性好。
[0044] 对比例3 先将llmL Ti(n4缓慢滴入lOOmL蒸馈水中,然后向该溶液中缓慢滴加浓氨水,调抑值至 7,使Ti02+沉淀,然后真空抽滤、洗涂,得到Ti化滤饼; 将所得Ti化滤饼与12.057g Bi2化和2.530g化0H混合研磨1小时,使原料充分反应,然 后用醋酸水溶液调pH值至7,然后烘干,得粉体; 将所得粉体于800°C条件下保溫1小时,得纳米NBT粉体。
[0045] 本对比例中,浓氨水滴加时间控制在4~6min之间。
[0046]
[0047] 对实施例1和本对比例所制备的粉体的粒径分布进行检测,结果分别如图7和图8 W及表1和表2所示。
[0048] 表1:实施例1所制备的铁酸祕钢粉体粒径统计表
由图7和图8对比及表1和表2对比可W看出,按照本发明的方法所制备的粉体颗粒粒径 更加均匀,对比例3所制备的粉体颗粒粒径大小不一,粒径分布范围较宽。
[0049]对本对比例所制备的铁酸祕钢粉体颗粒进行SEM扫描和XRD检测,结果表明,本对 比例所制备的铁酸祕钢粉体为单相结构。
【主权项】
1. 一种单相结构的纳米级钛酸铋钠陶瓷粉体的制备方法,其特征是,包括以下步骤: ① 、按体积比10~12:100,将TiCl4缓慢滴入蒸馏水中,然后缓慢加入浓度22~25%的浓氨 水,调PH值至6~8,产生沉淀,然后真空抽滤并洗涤所述沉淀,得TiO 2滤饼,备用; ② 、将NaOH、Bi2〇3与所述TiO2滤饼一并放入研钵中,研磨1~3h,使原料充分反应,然后用 浓度40~60%的醋酸水溶液调pH值至6~8,烘干,得粉体; 其中,以Bi2〇3所含Bi元素、NaOH所含Na元素计,Na元素与Bi元素投料摩尔比为0.5:0.5 <Na:Bi彡0.6:0.4;以TiCl4所含Ti元素计,Ti元素与所述Bi元素和所述Na元素总投料量的 投料摩尔比为1:1<打:恥+8丨彡1:1.2 ; ③ 、将步骤②所得粉体于500~800°C条件下保温0.5~3h,即得单相结构的纳米级钛酸铋 钠陶瓷粉体。2. 根据权利要求1所述的单相结构的纳米级钛酸铋钠陶瓷粉体的制备方法,其特征是, 步骤①中所述浓氨水的滴加时间控制在10~20min。3. 根据权利要求2所述的单相结构的纳米级钛酸铋钠陶瓷粉体的制备方法,其特征是, 步骤①中所述浓氨水的滴加时间控制在14~16m i η。4. 根据权利要求1所述的单相结构的纳米级钛酸铋钠陶瓷粉体的制备方法,其特征是, Na元素与Bi元素投料摩尔比为0.55:0.45彡他:8丨彡0.6:0.4;11元素与所述扮元素和所述 Na元素总投料量的投料摩尔比为1:1.05彡Ti :Na+Bi彡1:1.2。
【文档编号】C04B35/622GK105906341SQ201610225735
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】王静, 荣桂娟, 程海燕, 李娜, 江琦, 王萌萌
【申请人】河北大学
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