一種鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延漿料及其陶瓷膜片的製備方法
2023-10-06 17:02:54
專利名稱：一種鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延漿料及其陶瓷膜片的製備方法
技術領域：
本發明涉及功能陶瓷材料技術領域，尤其涉及一種鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延漿料及其陶瓷膜片的製備方法。
背景技術：
壓電陶瓷作為一類重要的功能陶瓷，具有實現電能與機械能直接轉換的功能，其工作原理源自力-電耦合的壓電效應，涉及材料、物理、力學等多學科交叉，已廣泛應用於 電子信息、超聲換能、傳感器、無損檢測等技術領域。目前，現有技術大規模使用的壓電陶瓷材料體系主要是鉛基壓電陶瓷。由於鉛基壓電陶瓷材料在生產、使用及廢棄後的處理過程中都會給人類及生態環境帶來嚴重危害，因此環境友好的新型壓電陶瓷材料已成為世界廣泛關注和研發的熱點。鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷由於其具有優越的壓電性能和較高的居裡溫度，因而是目前最受關注的無鉛壓電陶瓷體系之一。現有技術鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的製備方法主要包括傳統固相燒結法、水熱合成法、溶膠-凝膠合成法(sol-gel)、模板晶粒生長法(Templated Grain Growth, TGG)、反應模板晶粒生長法(Reactive-Templated Grain Growth, RTGG)等,而不同的製備技術對鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的性能有著重大的影響。其中，固相燒結法是最常用的方法之一，具有製備成本低、製備過程簡單等特點，但是周期長，而且製備出的多晶陶瓷各向異性程度低，導致壓電常數較低。sol-gel法製備成本低，得到的粉末微粒細小，但一直存在著團聚的問題。而TGG和RTGG這兩種方法，由於採用織構化生長技術，其製備出來的陶瓷各向異性程度高，因而獲得的織構化壓電陶瓷性能優良。目前，現有技術TGG和RTGG通過流延法製備的織構化壓電陶瓷都是採用非水基流延成型。由於非水基流延成型工藝中有機物含量較多，因而會導致陶瓷膜片密度低、排膠過程中坯體易變形開裂等問題，不僅影響產品質量、生產成本偏高，而且使用的是易燃、有毒的有機溶劑，對人體和環境會造成嚴重的危害，不能適應環境友好及清潔生產等發展趨勢。為此，研究以成本低、綠色環保為特徵的水基流延成型工藝，不僅是生產和經濟發展的需要，也是提高社會效益的迫切要求。目前也尚未見到關於採用水基流延成型工藝製備鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷的報導。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延漿料，以利於實現該體系材料織構化壓電陶瓷膜片的製備，獲得質量及性能優良的產品。本發明的另一目的在於提供一種利用上述漿料採用水基流延成型工藝製備織構化壓電陶瓷膜片的方法。本發明的目的通過以下技術方案予以實現本發明提供的一種鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延漿料，其組成為陶瓷基料34 65wt%、模板I 20wt%、去離子水20 60wt%、粘結劑I 30wt%、增塑劑I 5wt%、分散劑O. 5 3wt%、成膜助劑O. 5 2wt%、除泡劑O. 05 lwt% ;所述陶瓷基料為含I 5wt%燒結助劑的鈮酸鉀鈉基陶瓷粉料；所述模板為片狀Nb2O5。優選地，所述漿料其組成為陶瓷基料35 60wt%、模板2 15wt%、去離子水25 50wt%、粘結劑5 25wt%、增塑劑I 5wt%、分散劑O. 5 3wt%、成膜助劑O. 5 2wt%、除泡劑O. 05 lwt%。進一步地，本發明所述燒結助劑為Bi203+Cu0+Li20+Zn0複合熔塊，按質量比[Bi2O3 Li2O CuO] ZnO = 3 9 5，其中 Bi2O3 Li2O : CuO = 5 9 : 2 : I。所述鈮酸鉀鈉基陶瓷粉料為具有鈣鈦礦結構(ABO3)的鈮酸鉀鈉，A、B位摻雜金屬陽離子，其中A位摻雜Li+, B位摻雜Sb3+、Ta5+,然後再複合摻雜錯鈦酸鋇韓，其結構通式為(I-n) (K0 5Na0 5) ^xLixNb0 9SbyTa0 ^yO3-Ii (Ba1^zCaz) (Ti1^mZrm) O3,其中 0<χ<0·1,O ^ y ^ O. I, O ^ z ^ O. 5,0 ^ m ^ O. 5,0 ^ η ^ O. 3ο進一步地，本發明所述陶瓷基料的粒徑為O. 01 5 μ m。所述片狀Nb2O5其片狀形 貌為厚I 4 μ m、長10 50 μ m。上述方案中，本發明所述粘結劑為苯丙乳液，增塑劑為鄰苯二甲酸二丁酯或丙三醇，所述分散劑為三乙醇胺或者PVP，所述成膜助劑為二乙二醇丁醚醋酸或酯磷酸三丁酯，所述除泡劑為正丁醇。本發明的另一目的通過以下技術方案予以實現本發明提供的一種鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延陶瓷膜片的製備方法，採用上述鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延漿料，包括以下步驟(I)將陶瓷基料加入到含分散劑的去離子水中，球磨5 8h後加入模板繼續球磨O. 5 2h ;然後加入粘結劑、增塑劑球磨3 5h ;最後加入成膜助劑和除泡劑攪拌O. 5 2h，得到水基流延漿料；(2)將所述水基流延漿料真空除泡後在流延機上進行流延成型，流延速度為O. I O. 8m/min,流延膜厚度為80 200 μ m ；(3)將所述流延成型的膜片在25 60°C溫度下乾燥2 6h，然後脫膜，即得到陶瓷膜片。本發明具有以下有益效果本發明水基流延漿料使用去離子水為溶劑代替易燃、有毒的有機溶劑，不僅能夠很好地適應環境友好及清潔生產等發展趨勢，而且避免了非水基流延成型工藝中由於有機物含量較多而導致的膜片密度低、排膠過程中坯體易變形開裂等問題，所獲得的流延陶瓷膜片具有表面光滑、結構均勻、強度高、韌性好、便於切割和加工等優良性能。此外，本發明水基流延工藝成本低、使用安全、適合於大規模工業化生產。下面將結合實施例對本發明作進一步的詳細描述。
具體實施例方式本發明實施例鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延漿料，由陶瓷基料、模板、去離子水、有機添加劑組成。陶瓷基料為含I 5wt%燒結助劑(Bi203+Cu0+Li20+Zn0複合熔塊)的鈮酸鉀鈉基陶瓷粉料，其粒徑為O. 01 5 μ m ;其中鈮酸鉀鈉基陶瓷粉料為具有鈣鈦礦結構(ABO3)的鈮酸鉀鈉，A、B位摻雜金屬陽離子，其中A位摻雜Li+，B位摻雜Sb3+、Ta5+，然後再複合摻雜鋯
鈦酸鋇鈣，其結構通式為(I-n) (K0 5Na0 5) ^xLixNb0 9SbyTa0 ^yO3-Ii (Ba1^zCaz) (Ti1^mZrm) O3,其中 0<χ<0·1,
O ^ y ^ O. I, O ^ z ^ O. 5,0 ^ m ^ O. 5,0 ^ η ^ O. 3ο模板為具有厚I 4μπκ長10 50 μ m片狀形貌的五氧化二鈮(Nb2O5)15有機添加劑如下粘結劑為苯丙乳液，增塑劑為鄰苯二甲酸二丁酯或丙三醇，分散
劑為PVP或者三乙醇胺，成膜助劑為二乙二醇丁醚醋酸或酯磷酸三丁酯，除泡劑為正丁醇。 本發明各實施例鈮酸鉀鈉基陶瓷粉料，其結構通式中的配方參數如表I所示。表I本發明實施例鈮酸鉀鈉基陶瓷粉料結構通式中的配方參數
權利要求
1.一種鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延漿料，其特徵在於所述漿料其組成為陶瓷基料34 65wt%、模板I 20wt%、去離子水20 60wt%、粘結劑I 30wt%、增塑劑I 5wt%、分散劑0. 5 3wt%、成膜助劑0. 5 2wt%、除泡劑0. 05 lwt% ;所述陶瓷基料為含I 5wt%燒結助劑的鈮酸鉀鈉基陶瓷粉料；所述模板為片狀Nb205。
2.根據權利要求I所述的鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延漿料，其特徵在於所述漿料其組成為陶瓷基料35 60wt%、模板2 15wt%、去離子水25 50wt%、粘結劑5 25wt%、增塑劑I 5wt%、分散劑0. 5 3wt%、成膜助劑0. 5 2wt%、除泡劑0. 05 lwt%。
3.根據權利要求I或2所述的鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延漿料，其特徵在於所述燒結助劑為Bi203+Cu0+Li20+Zn0複合熔塊，按質量比[Bi2O3 Li2O CuO] ZnO =3 9 : 5，其中 Bi2O3 Li2O : CuO = 5 9 : 2 : I。
4.根據權利要求I或2所述的鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延漿料，其特徵在於所述鈮酸鉀鈉基陶瓷粉料的結構通式為(1-n) (K0 5Na0 5) ^xLixNb0.9SbyTa0. ^yO3-Ii (Ba1^zCaz) (Ti1^mZrm) O3,其中 0 < x 彡 0. 1，0 ^ y ^ 0. I, 0 ^ z ^ 0. 5,0 ^ m ^ 0. 5,0 ^ n ^ 0. 30
5.根據權利要求I或2所述的鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延漿料，其特徵在於所述陶瓷基料的粒徑為0. 01 5 i! m。
6.根據權利要求I或2所述的鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延漿料，其特徵在於所述片狀Nb2O5其片狀形貌為厚I 4 ii m、長10 50 ii m。
7.根據權利要求I或2所述的鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延漿料，其特徵在於所述粘結劑為苯丙乳液，增塑劑為鄰苯二甲酸二丁酯或丙三醇，所述分散劑為三乙醇胺或者PVP，所述成膜助劑為二乙二醇丁醚醋酸或酯磷酸三丁酯，所述除泡劑為正丁醇。
8.一種鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延陶瓷膜片的製備方法，其特徵在於採用權利要求1-7之一所述鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延漿料，包括以下步驟 (1)將陶瓷基料加入到含分散劑的去離子水中，球磨5 8h後加入模板繼續球磨,0.5 2h ;然後加入粘結劑、增塑劑球磨3 5h ;最後加入成膜助劑和除泡劑攪拌0. 5 2h，得到水基流延漿料； (2)將所述水基流延漿料真空除泡後在流延機上進行流延成型，流延速度為0.I .0.8m/min,流延膜厚度為80 200 u m ； (3)將所述流延成型的膜片在25 60°C溫度下乾燥2 6h，然後脫膜，即得到陶瓷膜片。
全文摘要
本發明公開了一種鈮酸鉀鈉基織構化壓電陶瓷水基流延漿料，其組成為陶瓷基料34～65wt%、模板1～20wt%、去離子水20～60wt%、粘結劑1～30wt%、增塑劑1～5wt%、分散劑0.5～3wt%、成膜助劑0.5～2wt%、除泡劑0.05～1wt%；所述陶瓷基料為含1～5wt%燒結助劑的鈮酸鉀鈉基陶瓷粉料；所述模板為片狀Nb2O5。此外還公開了採用上述漿料製備陶瓷膜片的方法。本發明能夠很好地適應環境友好及清潔生產等發展趨勢，並提高了產品質量；而且工藝成本低、使用安全、適合於大規模工業化生產。
文檔編號C04B35/495GK102976752SQ20121051672
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月5日 優先權日2012年12月5日
發明者李月明, 謝俊, 王竹梅, 洪燕, 沈宗洋, 謝志翔 申請人:景德鎮陶瓷學院