一種厚度和徑向尺寸可控的織構陶瓷鈮酸鹽模板材料及其製備方法

2023-07-27 10:51:06 1

專利名稱：：一種厚度和徑向尺寸可控的織構陶瓷鈮酸鹽模板材料及其製備方法
技術領域：
：本發明涉及一種用於製備厚度和徑向尺寸可控的織構型陶瓷鈮酸鹽模板材料及其製備方法，該模板材料的化學式為NaNb03，該模板能用作模板晶粒生長法(TGG)和反應模板晶粒生長法(RTGG)製備織構陶瓷所需的模板。
背景技術：
：隨著環境友好型功能陶瓷材料的發展，鉛基電子陶瓷材料越來越受到限制。鋯鈦酸鉛陶瓷材料是目前應用最為廣泛的一類壓電陶瓷材料，由於其氧化鉛的比重佔到總質量的70%，因此開發能夠替代這類壓電材料的新型無鉛陶瓷材料受到廣泛重視。取向的K0.5nNao.5Nb03(KNN)基的鹼金屬鈮酸鹽單晶材料由於具有優越的壓電性能，目前被認為是具有發展前景的無鉛壓電陶瓷材料之一。由於單晶的價格昂貴、製備工藝苛刻並且難以加工成複雜的形狀，織構型多晶鹼金屬鈮酸鹽陶瓷材料製備具有更大實際應用價值。織構陶瓷最主要的特點便是在極化之前有了一定的取向性，閒此極化效果會更佳，從而性能也大大優於傳統多品陶瓷材料，因此，製備織構型無鉛化功能陶瓷材料具有重要意義。織構材料的製備方法比較多，有模板晶粒生長法(TGG)、反應模板品粒生長法(RTGG)、種子多晶轉變法(SPC)、磁場誘導定向法以及定向凝固法等，其中模板晶粒生長法、反應模板晶粒生長法是兩種不需要昂貴複雜設備、工藝相對比較簡單和材料的織構效果較好的方法。在模板品粒生長法和反應模板晶粒生長法中，能否製備出性能良好的模板是能否製備性能良好的織構材料的關鍵因素之一。一般來說，合適的模板的特徵有1、和母體材料具有相似的晶體結構和品胞參數；2、模板厚度和形貌尺寸大小可控徑向尺寸控制範圍為5um20um，厚度控制範圍為0.5ym~4nm;3、具有熱力學穩定性。取向的鈮酸鈉的模板製備是製備鈮酸鹽織構型無鉛壓電陶瓷材料的一類關鍵模板材料。在以往製備過程中，對該類材料厚度和尺寸的控制必須通過溫度的改變來獲得，然而這類方法控制的範圍有限，發展一類如何通過溫度及保溫時間對鈮酸鈉的模板層狀厚度和尺寸大小進行控制的方法意義重大。
發明內容本發明的目的是提供一種製備厚度和徑向尺寸可控的片狀結構的鈮酸鈉材料，並提供該材料的製備方法，該材料適合用作製備織構型鈮酸鹽陶瓷的模板材料。本發明以下述技術方案實現一種用於製備織構型陶瓷的鈮酸鹽模板材料，其特徵是，該材料的化學組成為NaNb03，具有規則的片狀結構形貌，在(001)晶面族方向擇優生長，模板材料的厚度和徑向尺、t可以由反應物的配比來控制，徑向尺寸控制範圍為5um20ym，厚度控制範圍為0.5Pm4um。3該鈮酸鈉模板材料適合於模板晶粒生長法和反應模板晶粒生長法製備織構材料。該模板材料的製備方法採用熔鹽法，包括前軀體材料製備和用於製備織構型陶瓷的鈮酸鹽模板材料製備兩部分，其制各步驟如下-步驟l:合成層狀不同的Bi2.5Na^.5Nbx03x+3，X=2~9的片狀前軀體材料，方法為(1)配料以純度大於99%的Bi203、Na2C03以及Nb205為起始原料，按照Bi203:Na2C03:Nb205=5:115:418的摩爾比配料，配好的物料在球磨機中球磨12小時，球磨的助磨劑為無水乙醇；在球磨之後的物料中加入助熔劑NaCl，助熔劑的質量與起始原料總質量比為l:1，然後再混合球磨12小時以後在7(TC8(TC下空氣中烘乾；(2)熱處理將第一次烘乾後的物料在105(TC—1150。C下熱處理3—6個小時，熱處理氣氛為有氧氣氛，前驅體層數和熱處理工藝制度如表1;表ltableseeoriginaldocumentpage4(3)雜質去除將熱處理後的粉料置入3(TC8(rC去離子水中，攪拌35分鐘後靜置5~10分鐘，靜置時可以採用超聲波清洗器進行超聲處理，然後除去卜.層清液，反覆洗滌後直到上層清液用AgN03滴定沒有渾濁為止；將清洗了的粉料乾燥，即製得所需Bi2.5Nax_l5Nbx03x+3，X=29模板前驅體材料，合成前軀體材料徑向尺寸和厚度變化範圍如表2;表2tableseeoriginaldocumentpage4歩驟2、合成厚度和徑向尺寸可控的NaNb03模板材料，方法為:(1)配桐-:以歩驟1合成的Bi2.5Nax.15Nbx03x+3，X=2~9前軀體材料和純度大於99%的Na2C03為起始原料，按Bi2.5Nax-15Nbx03x+3:Na2C03=l:1.0~2.0的摩爾比配料，配好的物料攪拌混合612小時，介質為無水乙醇；(2)熔劑混合在歩驟2-(1)攪拌之後的物料中加入助熔劑NaCl，助熔劑的質量與歩驟2-(1)起始原料總質量的比為0.52.0:1，混合攪拌612小吋以後，在70-80。C下空氣中烘乾,攪拌混合時的無水乙醇介質與原料的質量比=1:27;(3)熱處理將步驟2-(2)烘乾後的物料在90(TC105(rC下熱處理36個小時，熱處理氣氛為有氧氣氛，模板層數和熱處理工藝制度見表3;tableseeoriginaldocumentpage5(4)將步驟步驟2-(3)熱處理後的粉料用5(TC8CrC的去離子水反覆洗滌，直到用AgN03檢測不到氯離子為止；(5)將步驟2-(4)清洗了的粉料分離後，<120匸下空氣中烘乾，即製得鈮酸鈉模板材料。合成模板材料徑向尺寸和厚度變化範圍如表4。tableseeoriginaldocumentpage5圖1為按本發明方法製備的鈮酸鈉模板材料的樣品的XRD圖閣2為按本發明方法製備的鈮酸鈉模板材料的樣品厚度形貌圖的SEM匿圖3為按本發明方法製備的鈮酸鈉模板材料的樣品徑向尺寸形貌圖的SEM圖圖2中六張SEM圖屬於不同層狀樣品同一放大倍數的厚度形貌圖，a二層；b三層；c四層；d五層；e六層；f八層。圖3中六張SEM圖屬於不同層狀樣品同一放大倍數的徑向尺寸形貌圖，具體實施例方式製備前軀體材料實施例1製備Bi2.5NaQ.5Nb208前軀體以純度大於99%的Bi203、Na2C03以及Nb20s為起始原料，嚴格按照8^03:Na2C03:Nb205=5:1:4的摩爾比配料，配好的物料在球磨機屮球磨12小時，球磨的助磨劑為無水乙醇；在球磨之後的物料中加入助熔劑NaCl，助熔劑的質量與起始反應物總質量比為1:1，然後再混合球磨12小時以後在7(TC8(TC下空氣中烘千，球磨時的助磨劑為無水乙醇；將第二次烘乾後的物料在105(TC下熱處理3個小時，熱處理氣氛為有氧氣氛；將熱處理後的粉料置入8(TC去離子水中，攪拌5分鐘後靜置5分鐘，靜置時或者採用超聲波清洗器進行超聲處理，然後除去上層清液，反覆洗滌後直到上層清液用AgN03滴定沒有渾濁為止；將清洗了的粉料在〈12(TC下空氣中烘乾乾燥，即製得所需Bi2.5Nao.5Nb20s前軀體材料，起始原料與助磨劑無水乙醇的質量比=1:7。模板前驅體材料徑向尺寸為20um，厚度為0.5-0.7ym。實施例2製備Bi2.5Na2.5Nb4015前軀體以純度大於99%的Bi203、Na2C03以及Nb205為起始原料，嚴格按照Bi203:Na2C03:Nb205=5:5:8的摩爾比配料，配好的物料在球磨機中球磨12小時，球磨的助磨劑為無水乙醇；在球磨之後的物料中加入助熔劑NaCl，助熔劑的質量與起始反應物總質量比為1:1，然後再混合球磨12小時以後在70'C8(TC下空氣中烘千，球磨時的助磨劑為無水乙醇；將第二次烘乾後的物料在10卯。C下熱處理5個小時，熱處理氣氛為有氧氣氛；將熱處理後的粉料置入8(TC去離子水中，攪拌5分鐘後靜置5分鐘，靜置時或者採用超聲波清洗器進行超聲處理，然後除去上層清液，反覆洗滌後直到上層清液用AgN03滴定沒有渾濁為止；將清洗了的粉料在〈12(TC下空氣中烘乾乾燥，即製得所需Bi2.5Na2.sNb4Ch5前軀體材料，起始原料與助磨劑無水乙醇的質量比=1:7。模板前驅體材料徑向尺寸為15-16wm，厚度為1.2-1.4ym。實施例3製備Bi2.5Na45Nb6021前軀體以純度大於99%的Bi203、Na2C03以及Nb205為起始原料，嚴格按照Bi203:Na2C03:Nb205=5:9:12的摩爾比配料，配好的物料在球磨機屮球磨12小時，球磨的助磨劑為無水乙醇；在球磨之後的物料中加入助熔劑NaCl，助熔劑的質量與起始反應物總質量比為1:1，然後再混合球磨12小時以後在7(TC8(TC下空氣中烘乾，球磨時的助磨劑為無水乙醇；將第二次烘乾後的物料在IIOCTC下熱處理5個小時，熱處理氣氛為有氧氣氛；將熱處理後的粉料置入8(TC去離子水中，攪拌5分鐘後靜置5分鐘，靜置時或者採用超聲波清洗器進行超聲處理，然後除去上層清液，反覆洗滌後直到上層清液用AgN03滴定沒有渾濁為止；將清洗了的粉料在^205為起始原料，嚴格按照Bi203:Na2C03:Nb205=5:15:18的摩爾比配料，配好的物料在球磨機中球磨12小時，球磨的助磨劑為無水乙醇；在球磨之後的物料中加入助熔劑NaCl，助熔劑的質量與起始反應物總質量比為1:1，然後再混合球磨12小時以後在7(TC8(TC下空氣中烘乾，球磨時的助磨劑為無水乙醇；將第二次烘千後的物料在115(TC下熱處理6個小時，熱處理氣氛為有氧氣氛；將熱處理後的粉料置入80'C去離子水中，攪拌5分鐘後靜置5分鐘，靜置時或者採用超聲波清洗6器進行超聲處理，然後除去上層清液，反覆洗滌後直到上層清液用AgN03滴定沒有渾濁為止；將清洗了的粉料在<120"下空氣中烘乾乾燥，即製得所需Bb.5Na7.5Nb9O30前軀體材料，起始原料與助磨劑無水乙醇的質量比=1:7。模板前驅體材料徑向尺寸約為5"m，厚度約為4.0ym。模板材料製備實施例實施例5採用實施例1製備純淨的Bi2.5Nao.sNb209和純度大於99%的Na2C03為起始原料，按Bi2.5Nai.sNb3Ch2與Na2C03的摩爾比1:1.0攪拌混合，無水乙醇作混合介質，在混合之後的物料中加入NaCl作為助熔劑，起始原料與NaCl的質量比為1:0.5，採用磁力攪拌器並以無水乙醇作為介質混合12小時，然後在7(TC下空氣屮烘乾後，在900'C下在有氧氣氛中進行熱處理，熱處理時間為3小時，即製得所需鈮酸鈉模板材料。模板材料徑向尺寸為20ym，厚度為0.5-0.7um。實施例6採用實施例2製備純淨的Bi2.5Na2.sNb4Ch5和純度大於99%的Na2CCh為起始原料，按Bi2.sNai.5Nb3(^2與Na2C03的摩爾比1:1.2攪拌混合，無水乙醇作混合介質，在混合之後的物料屮加入NaCl作為助熔劑，起始原料與NaC.l的質量比為1:1.0，採用磁力攪拌器並以無水乙醇作為介質混合12小時，然後在7(TC下空氣中烘千後，在940'C下在有氧氣氛中進行熱處理，熱處理時間為5小時，即製得鈮酸鈉模板材料。模板體材料徑向尺寸為15-16ym，厚度為1.2-1.4ym。實施例7採用實施例3製備純淨的Bi2.5Na4.5Nb6021和純度大於99%的Na2C03為起始原料，按Bi2.5NaL5Nb30i2與Na2C03的摩爾比1:1.6攪拌混合，無水乙醇作混合介質，在混合之後的物料中加入NaCl作為助熔劑，起始原料與NaCl的質量比為1:1.5，採用磁力攪拌器並以無水乙醇作為介質混合12小時，然後在7(TC下空氣中烘乾後，在98(TC下在有氧氣氛中進行熱處理，熱處理時間為5小時，即製得所需鈮酸鈉模板材料。模板體材料徑向尺寸為10-11tim，厚度為2.2-2.5um。實施例8採用實施例4製備純淨的Bi25Na7.5Nb903Q材料和純度大於99%的Na2C03為起始原料，按Bi2.5Na3.5NbsC^與Na2C03的摩爾比1:2.0混合，無水乙醇作混合介質，在混合之後的物料中加入NaCl作為助熔劑，起始原料與NaCl的質量比為1:2.0，採用磁力攪拌器並以無水乙醇作為介質混合9小時，然後在8(TC下空氣中烘乾後，在105(TC下在有氧氣氛中進行熱處理，熱處理時間為6小時，即製得所需鈮酸鈉模板材料。模板體材料徑向尺寸約為5um，厚度約為4.0ym。權利要求1、一種用於製備織構型陶瓷的鈮酸鹽模板材料，其特徵是，該材料的化學組成為NaNbO3，具有規則的片狀結構形貌，在(001)晶面族方向擇優生長，模板材料的厚度和徑向尺寸可以由反應物的配比來控制，徑向尺寸控制範圍為5μm～20μm，厚度控制範圍為0.5μm～4μm。2、權利要求1所述的用於製備織構型陶瓷的鈮酸鹽模板材料的方法，其特徵在於，製備步驟包括1)、以純淨的Bi2.sNax-L5Nbx03x+3X=2~9和純度大於99%的Na2C03為起始原料，按Bi2.5Nax丄sNbx03x+3:Na2C03=l:1.0~2.0的摩爾比配料，配好的物料攪拌612小時，介質為無水乙醇；2)、在步驟1)攪拌之後的物料中加入助熔劑NaCl，助熔劑的質量與起始原料總質量的比為0.52.0:1，混合攪拌612小時以後，在7(TC80'C下空氣中烘乾，混合攪拌時介質為無水乙醇；3)、將步驟2)烘乾後的物料在90(TC1050。C下熱處理3—6小時，熱處理的氣氛為有氧氣氛；4)、將歩驟3)熱處理之後的粉料用5(TC8(TC的去離子水反覆洗滌，直到用AgN03檢測不到氯離子為止；5)、將歩驟4)清洗了的粉料分離後，乾燥即製得所需鈮酸鹽模板材料。全文摘要一種厚度和徑向尺寸可控的織構陶瓷鈮酸鹽模板材料及其製備方法。該材料的化學組成為NaNbO3，具有規則的片狀結構形貌，在(001)晶面族方向擇優生長，模板材料的厚度和徑向尺寸可以由反應物的配比來控制。其製法是以純淨Bi2.5Nax-1.5NbxO3x+3X＝2～9和純度大於99％的Na2CO3為原料，按Bi2.5Nax-1.5NbxO3x+3∶Na2CO3＝1∶1.0～2.0摩爾比配料；攪拌6～12小時後，加入助熔劑NaCl，助熔劑的質量與起始原料總質量比為0.5～2.0∶1，然後再混合攪拌6～12小時，混合攪拌介質為無水乙醇；攪拌後的物料在70℃～80℃下空氣中乾燥；在900℃～1050℃下熱處理3～6小時，再用熱去離子水洗滌到檢測不到氯離子；將清洗了的粉料分離後，經過乾燥即得用作製備織構陶瓷的鈮酸鹽模板材料。本發明合成的NaNbO3模板材料的徑向尺寸從5μm至20μm，厚度由0.5μm到4μm。文檔編號C04B35/495GK101575209SQ20091006252公開日2009年11月11日申請日期2009年6月5日優先權日2009年6月5日發明者餘志勇,劉韓星,曹明賀,凡李,華郝,郭麗玲申請人:武漢理工大學