专利名称：熔盐法合成片状铌酸钠单晶颗粒的方法
技术领域：
本发明涉及一种熔盐法合成片状铌酸钠单晶颗粒的方法，属陶瓷晶粒制备技术领域。
背景技术：
压电陶瓷具有机械谐振特性和能量转换能力，其应用遍及电子、医疗、航天等诸多高科技领域和人类日常生活的不同角落。现在大规模使用的压电陶瓷材料以铅基压电陶瓷为主，在生产、使用、废弃处理过程中给人类及生态环境带来严重危害，各主要工业国家正竞相研发新型环境友好高性能无铅压电陶瓷。
铁电单晶具有优异的压电性能，但采用传统的固相烧结法制备的陶瓷的晶粒随机排布，压电性能不能充分发挥出来。利用晶体的各向异性开展织构工程，制备晶粒定向排布的陶瓷，使原本无规则取向的陶瓷晶粒择优取向排列，其性能呈现出明显的各向异性，使材料特定方向上的优异性能展现出来。模板晶粒生长技术(TGG)是利用形貌各向异性的单晶颗粒作晶种，在成型过程中使晶种定向，烧结过程中晶种消耗，细晶粒择优取向生长，形成织构化的显微结构，显著提高陶瓷压电性能。
碱金属铌酸盐基无铅压电陶瓷性能优异，为钙钛矿结构，目前还没有合适的各向异性粒子作为模板晶粒生长技术中的模板。但如果采用合适的各向异性粒子作为前驱体，利用反应模板晶粒生长技术(RTGG)也可以制备晶粒定向排布的陶瓷。
采用反应模板晶粒生长技术制备晶粒定向排布陶瓷的关键是合成形貌各向异性的晶粒。熔盐法是一种常用的粉体合成方法，由于熔盐中的传质速度远高于固相中的传质速度，所以采用熔盐法可以降低反应温度和缩短反应时间，同时还可以有效地控制晶粒的尺寸和形貌。钙钛矿结构反应模板是伪各向同性的，具有各向同性生长特性，传统液相法制备的钙钛矿结构的陶瓷粉体通常为立方状，不能作为反应模板晶粒生长中的模板。研究表明，两步合成法可以制备具有形貌各向异性的钙钛矿结构的模板晶粒，即首先在液相环境中反应合成具有形貌各向异性的前驱体化合物，然后通过化学反应合成得到所需要的钙钛矿结构的化合物，同时又保持着前驱体化合物的形貌特征。
以此方法合成得到的片状NaNbO3单晶颗粒为原始粉体，采用模板晶粒生长技术，可以制得晶粒定向排布的(Na，K)NbO3基无铅压电陶瓷，提高陶瓷的压电性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用熔盐法制备片状铌酸钠单晶颗粒的方法。
本发明一种熔盐法合成片状铌酸钠单晶颗粒的方法，其特征在于以分析纯的Na2CO3、Nb2O5、Bi2O3为原料，以NaCl或Na2SO4为介质，通过两步反应法合成片状NaNbO3单晶颗粒；第一步反应以熔盐法制备片状铋层状结构Bi2.5Na3.5Nb5O18单晶颗粒；第二步反应以上述片状铋层状结构Bi2.5Na3.5Nb5O18单晶颗粒为原料，采用拓扑化学反应制备片状钙钛矿结构NaNbO3单晶颗粒；其具体工艺过程和步骤如下(a)以分析纯的Bi2O3、Na2CO3、Nb2O5为起始原料，按Bi2.5Na3.5Nb5O18的化学计量比配料，加入无水乙醇，进行球磨；(b)将NaCl或Na2SO4盐进行球磨，随后加入到上述经球磨后的混合料中，再经球磨、烘干、过筛，然后放入氧化铝坩埚中；(c)将氧化铝坩埚中的混合料在900～1200℃高温下加热，使其反应，并保温一段时间，该熔盐合成为Bi2.5Na3.5Nb5O18，随后随炉冷却；(d)接着以去离子水清洗上述合成产物，烘干，得到片状铋层状结构Bi2.5Na3.5Nb5O18单晶颗粒；(e)按Na2CO3与Bi2.5Na3.5Nb5O18的摩尔比为1∶1～2∶1及按NaCl盐或Na2SO4盐与(Na2CO3+Bi2.5Na3.5Nb5O18)混合料的重量比为2∶1计算化学配比；将计量所得之Na2CO3和NaCl，或者Na2CO3和Na2SO4的混合料进行球磨，然后加入上述的Bi2.5Na3.5Nb5O18单晶颗粒，随后进行搅拌、烘干、过筛；(f)在900～1200℃高温炉中利用拓扑化学反应合成片状NaNbO3单晶颗粒，随后随炉冷却；(g)用HNO3或H2SO4酸洗上述所得的反应产物，随后再用去离子水清洗，以去除残留熔盐和反应副产物，烘干后得到纯的片状NaNbO3单晶颗粒。
本发明方法的特点是(1)通过调节熔盐种类、熔盐数量、合成工艺条件，可控制单晶颗粒的形貌和尺寸。(2)以熔盐法制得片状NaNbO3单晶颗粒作为反应模板晶粒生长技术中的各向异性形貌模板，制备晶粒定向排布的碱金属铌酸盐基无铅压电陶瓷，可以显著提高陶瓷的压电性能。
图1为本发明合成的片状NaNbO3单晶颗粒的X射线衍射图谱。
图2为本发明合成的片状铌酸钠单晶颗粒的扫描电子显微形貌图。
具体实施例方式
现将本发明的实施例叙述于后。
实施例1本实施例的合成过程和步骤如下(1)首先按Bi2.5Na3.5Nb5O18的化学计量比配料，称取分析纯Bi2O340.66克，分析纯Na2CO312.95克，分析纯Nb2O546.39克，共同混合，加入无水乙醇，进行球磨，球磨4小时，随后干燥，过筛；然后加入经球磨磨好的NaCl盐200克；NaCl盐与上述混合料的重量比为2∶1；再进行球磨1小时，随后烘干、过筛。
(2)将上述混合均匀的原料放入氧化铝坩埚中，升温至900℃，保温2小时，再升温至1100℃，保温4小时，该熔盐经反应合成为Bi2.5Na3.5Nb5O18，随后随炉冷却至室温。将合成产物以去离子水清洗，去除残留NaCl盐，烘干，得到片状铋层状结构Bi2.5Na3.5Nb5O18单晶颗粒。
(3)按照Na2CO3与Bi2.5Na3.5Nb5O18的摩尔比为1∶1、以及按NaCl盐与(Na2CO3+Bi2.5Na3.5Nb5O18)混合料的重量比为2∶1计算化学配比量，即称取NaCl197.27克和Na2CO37.15克，上述合成产物Bi2.5Na3.5Nb5O18单晶颗粒料94.48克；先将NaCl和Na2CO3混合料进行混和球磨，同时加入无水乙醇，球磨4小时；然后加入Bi2.5Na3.5Nb5O18单晶颗粒料，随后进行搅拌、烘干、过筛。
(4)将上述混合料再次放入氧化铝坩埚中，升温至950℃，保温4小时，利用拓扑化学反应合成片状NaNbO3单晶颗粒，随后随炉冷却至室温；将反应产物以去离子水清洗，再以HNO3酸洗，再重复以去离子水反复清洗，以去除残留物，随后烘干，得到纯的片状NaNbO3单晶颗粒。单晶颗粒的长度为0.5～20μm，长厚比为1～20。
本实施例所得的片状NaNbO3单晶颗粒，可参见图1的XRD图和图2的SEM形貌图。
实施例2本实施例的合成过程和步骤与上述实施例1完全相同。不同的是在上述实施例1的(3)步骤中，采用Na2CO3与Bi2.5Na3.5Nb5O18单的摩尔比为2∶1。结果表明，所得晶粒的形貌和尺寸与实施例1中的相一致。Na+的过量对NaNbO3的形貌和尺寸没有明显的影响。
实施例3本实施例的合成过程和步骤与上述实施例1完全相同。不同的是在上述实施例1的(4)步骤中，将在950℃下保温时间由4小时改为8小时。结果是合成产物的XRD图谱鉴定为单相NaNbO3，SEM显微形貌照片表明晶粒形貌与实施例1相同。单晶颗粒的长度为3～30μm，长厚比增大至5～25。
实施例4本实施例的合成过程和步骤与上述实施例1完全相同。不同的是在上述实施例1的(3)步骤中，将NaCl盐换成Na2SO4盐，Na2SO4盐与(Na2CO3+Bi2.5Na3.5Nb5O18)混合料的重量比为2∶1。结果是合成产物的XRD图谱鉴定为单相NaNbO3，SEM显微形貌照片表明晶粒形貌为片状，与实施例1相同。单晶颗粒的长度为0.5～20μm，长厚比为1～20，晶粒尺寸分布不均匀性有所增加。
权利要求
1.一种熔盐法合成片状铌酸钠单晶颗粒的方法，其特征在于以分析纯的Na2CO3、Nb2O5、Bi2O3为原料，以NaCl或Na2SO4为介质，通过两步反应法合成片状NaNbO3单晶颗粒；第一步反应以熔盐法制备片状铋层状结构Bi2.5Na3.5Nb5O18单晶颗粒；第二步反应以上述片状铋层状结构Bi2.5Na3.5Nb5O18单晶颗粒为原料，采用拓扑化学反应制备片状钙钛矿结构NaNbO3单晶颗粒；其具体工艺过程和步骤如下(a)以分析纯的Bi2O3、Na2CO3、Nb2O5为起始原料，按Bi2.5Na3.5Nb5O18的化学计量比配料，加入无水乙醇，进行球磨；(b)将NaCl或Na2SO4盐进行球磨，随后加入到上述经球磨后的混合料中，再经球磨、烘干、过筛，然后放入氧化铝坩埚中；(c)将氧化铝坩埚中的混合料在900～1200℃高温下加热，使其反应，并保温一段时间，该熔盐合成为Bi2.5Na3.5Nb5O18，随后随炉冷却；(d)接着以去离子水清洗上述合成产物，烘干，得到片状铋层状结构Bi2.5Na3.5Nb5O18单晶颗粒；(e)按Na2CO3的与Bi2.5Na3.5Nb5O18的摩尔比为1∶1～2∶1、及按NaCl盐或Na2SO4盐与(Na2CO3+Bi2.5Na3.5Nb5O18)混合料的重量比为2∶1计算化学配比；将计量所得之Na2CO3和NaCl，或者Na2CO3和Na2SO4的混合料进行球磨，然后加入上述的Bi2.5Na3.5Nb5O18单晶颗粒，随后进行搅拌、烘干、过筛；(f)在900～1200℃高温炉中利用拓扑必化学反应合成片状NaNbO3单晶颗粒，随后随炉冷却；(g)用HNO3或H2SO4酸洗上述所得的反应产物，随后再用去离子水清洗，以去除残留熔盐和反应副产物，烘干后得到纯的片状NaNbO3单晶颗粒。
全文摘要
本发明涉及一种熔盐法合成片状铌酸钠单晶颗粒的方法，属陶瓷晶粒制备技术领域。本方法的特征在于以Bi
文档编号C30B29/10GK1958882SQ20061011636
公开日2007年5月9日 申请日期2006年9月21日 优先权日2006年9月21日
发明者朱丽慧, 张殿德, 黄清伟, 邵光杰 申请人:上海大学