一种超高介电常数钽铌酸钾陶瓷的制备方法与流程

本发明涉及功能陶瓷材料的制备领域，特别是涉及一种高介电常数钽铌酸钾陶瓷的制备方法。

背景技术：

电子信息技术的飞速发展，电子器件的小型化、集成化和高容量是推动微电子产业发展的重要因素，因此高介电常数材料在微电子领域具有越来越重要的地位。当器件的形状确定时，材料的介电常数越高，电容器的比电容就越大。铁电陶瓷具有较高的介电常数，在电子行业中是制造铁电陶瓷电容器的重要电子陶瓷材料之一。但是由于传统铅基陶瓷材料含有大量铅元素，对环境和人类的健康存在严重的危害。随着人们环保意识的增强，无铅陶瓷材料的研究越来越备受关注。钽铌酸钾(kta1-xnbxo3，ktn)陶瓷是一种性能优良的无铅功能陶瓷材料。不同于别的铁电陶瓷，通过调整钽和铌的比例，能够调整钽铌酸钾陶瓷的相结构和性能。

经对现有技术的文献检索发现，焦岗成等人制备了铌酸钾钠基陶瓷{(1-x)(k0.5na0.5)nbo3-xsrtio3，knn-sto}，发现当x＝0.15的时候，knn-sto陶瓷的相对介电常数最大。在100hz的频率下，达到2000左右。黄建洧等人利用复合添加mgtio3、catio3、mno2、nb2o5、sio2对srtio3-pbtio3-bi2o3·3tio2系介质材料进行改性，制得相对介电常数为1500～2000的陶瓷电容器材料。

公开号为cn102515739a的中国专利公开了一种高介电陶瓷的制备方法，所述高介电陶瓷的主相为ca2cuo3，在10⁴～10⁵hz的频率下，其介电常数为3000～4000。

技术实现要素：

本发明是要解决现有钽铌酸钾陶瓷介电常数低限制了其在介电材料领域的应用的问题，而提供一种超高介电常数钽铌酸钾陶瓷的制备方法。

本发明一种超高介电常数钽铌酸钾陶瓷的制备方法具体是按以下步骤进行：

一、棒状钽铌酸钾粉体的制备：将五氧化二钽和五氧化二铌加入到氢氧化钾水溶液中，磁力搅拌20min～40min后转移至水热反应釜中，在温度为160℃～190℃的条件下反应20h～30h，反应结束后自然冷却至室温，产物经蒸馏水洗涤至中性后放入真空干燥箱中，所述抽真空至0.01mpa，并在温度为60℃～85℃的条件下加热20h～30h，得到棒状钽铌酸钾纳米粉体；所述五氧化二钽和五氧化二铌的摩尔比为1:1；所述氢氧化钾水溶液的浓度为8mol/l～9mol/l；所述五氧化二铌和氢氧化钾水溶液的摩尔比为1:(60～70)；

二、将棒状钽铌酸钾纳米粉体与聚乙烯醇水溶液均匀混合，得到混合物；将混合物在10mpa的压强下压制成直径为12mm的圆柱片；将压好的圆柱片放入马沸炉中，在温度为550℃的条件下排胶4h，然后在温度为1075～1125℃的条件下烧结2h，最后得到超高介电常数的钽铌酸钾陶瓷；所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为5％～10％；所述聚乙烯醇水溶液与棒状钽铌酸钾纳米粉体的质量比为(1～10):100。

本发明的有益效果：本方法通过控制水热法的制备工艺，制备棒状的钽铌酸钾纳米粉体，制备出的棒状钽铌酸钾纳米粉体具有单位体积内更大的极化，能够导致材料获得更大的介电常数。同时陶瓷的界面极化与陶瓷内部晶粒间的界面面积也有关，经过对棒状钽铌酸钾纳米粉体和普通钽铌酸钾纳米粉体进行bet比表面积测试，发现棒状钽铌酸钾纳米粉体的bet比表面积(30.96m²/g)远大于普通钽铌酸钾纳米粉体的bet比表面积(7.36m²/g)。本发明以棒状钽铌酸钾纳米粉体作为原料，制备出具有超高介电常数钽铌酸钾陶瓷。这种制备超高介电常数钽铌酸钾陶瓷的新方法，大大拓宽了钽铌酸钾陶瓷在介电材料领域的应用，可应用于储能电容器。在100hz的频率下，棒状钽铌酸钾陶瓷的相对介电常数高达1.97×10⁴，而普通钽铌酸钾陶瓷的相对介电常数仅为2.52×10³。即使在10⁶hz的频率下，棒状钽铌酸钾陶瓷的相对介电常数(2.81×10³)也远远高于普通钽铌酸钾陶瓷的相对介电常数(1.52×10³)。

附图说明

图1为实施例步骤一得到的棒状钽铌酸钾纳米粉体的x射线衍射图；

图2为普通钽铌酸钾纳米粉体的x射线衍射图；

图3为实施例步骤一得到的棒状钽铌酸钾纳米粉体的扫描电镜图；

图4为普通钽铌酸钾纳米粉体的扫描电镜图；

图5为实施例步骤二得到的超高介电常数的钽铌酸钾陶瓷的介电频谱图；

图6为钽铌酸钾陶瓷的介电频谱图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种超高介电常数钽铌酸钾陶瓷的制备方法具体是按以下步骤进行：

一、棒状钽铌酸钾粉体的制备：将五氧化二钽和五氧化二铌加入到氢氧化钾水溶液中，磁力搅拌20min～40min后转移至水热反应釜中，在温度为160℃～190℃的条件下反应20h～30h，反应结束后自然冷却至室温，产物经蒸馏水洗涤至中性后放入真空干燥箱中，所述抽真空至0.01mpa，并在温度为60℃～85℃的条件下加热20h～30h，得到棒状钽铌酸钾纳米粉体；所述五氧化二钽和五氧化二铌的摩尔比为1:1；所述氢氧化钾水溶液的浓度为8mol/l～9mol/l；所述五氧化二铌和氢氧化钾水溶液的摩尔比为1:(60～70)；

二、将棒状钽铌酸钾纳米粉体与聚乙烯醇水溶液均匀混合，得到混合物；将混合物在10mpa的压强下压制成直径为12mm的圆柱片；将压好的圆柱片放入马沸炉中，在温度为550℃的条件下排胶4h，然后在温度为1075～1125℃的条件下烧结2h，最后得到超高介电常数的钽铌酸钾陶瓷；所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为5％～10％；所述聚乙烯醇水溶液与棒状钽铌酸钾纳米粉体的质量比为(1～10):100。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中磁力搅拌20min～40min后转移至水热反应釜。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中在温度为180℃的条件下反应24h。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为8％。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述氢氧化钾水溶液的浓度为8.5mol/l。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中所述五氧化二铌和氢氧化钾水溶液的摩尔比为1:68。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为8％。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中所述聚乙烯醇水溶液与棒状钽铌酸钾纳米粉体的质量比为3:100。其它与具体实施方式一至七之一相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例：一种超高介电常数钽铌酸钾陶瓷的制备方法具体是按以下步骤进行：

一、棒状钽铌酸钾粉体的制备：将五氧化二钽和五氧化二铌加入到氢氧化钾水溶液中，磁力搅拌30min后转移至水热反应釜中，在温度为180℃的条件下反应24h，反应结束后自然冷却至室温，产物经蒸馏水洗涤至中性后放入真空干燥箱中，所述抽真空至0.01mpa，并在温度为80℃的条件下加热24h，得到棒状钽铌酸钾纳米粉体；所述五氧化二钽和五氧化二铌的摩尔比为1:1，所述五氧化二钽和五氧化二铌的摩尔总量为0.015mol；所述氢氧化钾水溶液的浓度为8.5mol/l；所述五氧化二铌和氢氧化钾水溶液的摩尔比为1:68；

二、将棒状钽铌酸钾纳米粉体与聚乙烯醇水溶液均匀混合，得到混合物；将混合物在10mpa的压强下压制成直径为12mm的圆柱片；将压好的圆柱片放入马沸炉中，在温度为550℃的条件下排胶4h，然后在温度为1075～1125℃的条件下烧结2h，最后得到超高介电常数的钽铌酸钾陶瓷；所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为8％；所述聚乙烯醇水溶液与棒状钽铌酸钾纳米粉体的质量比为3:100。

图1为实施例步骤一得到的棒状钽铌酸钾纳米粉体的x射线衍射图；图2为普通钽铌酸钾纳米粉体的x射线衍射图；从图1和图2中可以看出衍射峰均为钽铌酸钾的特征衍射峰，能够说明制备得到的棒状钽铌酸钾纳米粉体和普通钽铌酸钾纳米粉体中没有产生其它杂相，说明合成的产物纯度较高。

图3为实施例步骤一得到的棒状钽铌酸钾纳米粉体的扫描电镜图；图4为普通钽铌酸钾纳米粉体的扫描电镜图；从图中能够明显地观察到棒状钽铌酸钾纳米粉体呈现棒状，而普通钽铌酸钾纳米粉体则呈现四方形。

图5为实施例步骤二得到的超高介电常数的钽铌酸钾陶瓷的介电频谱图；图6为钽铌酸钾陶瓷的介电频谱图；从图5和图6对比能够很清晰地看到以棒状钽铌酸钾纳米粉体为原料制备的陶瓷的相对介电常数在40hz到10⁶hz的频率范围内都远远高于用普通钽铌酸钾纳米粉体制备的陶瓷的相对介电常数。在100hz的频率下，棒状钽铌酸钾陶瓷的相对介电常数高达1.97×10⁴，而普通钽铌酸钾陶瓷的相对介电常数仅为2.52×10³。即使在10⁶hz的频率下，棒状钽铌酸钾陶瓷的相对介电常数(2.81×10³)也远远高于普通钽铌酸钾陶瓷的相对介电常数(1.52×10³)。

本方法通过控制水热法的制备工艺，制备棒状的钽铌酸钾纳米粉体，再以其作为原料，制备具有超高介电常数钽铌酸钾陶瓷。这种制备超高介电常数钽铌酸钾陶瓷的新方法，大大拓宽了钽铌酸钾陶瓷在介电材料领域的应用。