CN102205988A - 微波水热方法制备锂掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微波水热方法制备锂掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉体的方法，其以氢氧化锂(LiOH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)和五氧化二铌(Nb₂O₅)为原料，加水配成溶液后，充分搅拌使LiOH、KOH、NaOH完全溶解，形成溶液A，然后将溶液A放入反应釜内，采用微波水热法在190～230℃下反应30～90mins后停止反应，最后取出反应釜，收集沉淀物，清洗后干燥即可。本发明方法反应温度低，在200℃左右，反应时间短，大概需要60min，制备出来的粉体反应活性高，且能耗低，对环境友好。

Description

微波水热方法制备锂掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉体的方法

技术领域

本发明属于功能材料领域，涉及一种微波水热方法制备锂掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉体的方法。

背景技术

压电、热释电和铁电材料在各类信息的检测、转换、处理和存储中具有广泛的应用，是一类重要的、国际竞争极为激烈的高新技术材料。压电陶瓷系列品种众多，应用广泛，特别是用它制作的滤波器、微位移器、驱动器和传感器等，被广泛应用到航空航天等高新技术领域及国民经济各个部门中，成为不可缺少的现代化关键材料和元件。

传统的压电陶瓷，诸如像PZT、PMNT和PZNT等一度得到人们的关注，并取得了长足进展，但是这些材料同为含铅陶瓷。因而，无论它们的性能有多高，其发展都会受到环保问题的制约。

铌酸盐系无铅压电陶瓷主要是指碱金属铌酸盐和钨青铜结构铌酸盐两类压电陶瓷。相比于PZT等铅基压电陶瓷，碱金属铌酸盐陶瓷具有下列特点：介电常数小，压电性高，频率常数大，密度小，多年来作为电光材料受到重视。1959年，美国学者首次研究了NaNbO₃-KNbO₃二元系统的压电性，随后又研究了性能较好的热压(Na_0.5K_0.5)NbO₃陶瓷；另一方面，也先后研究了NaNbO₃-LiNbO₃等体系，并以Ta、Sb等元素部分置换取代B位的Nb，使碱金属铌酸盐陶瓷向多元化方向发展。

由于纯KNN相能稳定存在的温度范围是1140℃以下，因此，KNN陶瓷的致命的缺点是采用普通的烧结工艺很难在较低的温度下(1140℃以下)烧结，而且高温烧结容易导致钾钠离子的挥发。虽然采用新的烧结工艺，如热压烧结和火花等离子烧结能解决烧结难的问题，但存在烧结成本较高，工艺复杂，难以实现大规模生产等缺点。

水热合成通常指在一定温度(100-1000℃)和压强(1-100MPa)条件下，以水为介质的异相合成方法。水热合成中，反应物大多难溶于水、需在矿化剂作用下部分溶解，进而发生水热化学反应。矿化剂起着增大反应溶解度，并参与结构重排，从而加速化学反应进行的作用，矿化剂可以是酸，碱或络合剂，有时也可以使用盐类。水热反应是在化学传输过程中完成的反应过程。

微波通常是指波长为1mm到0.1mm范围内的电磁波，其相应的频率范围为300MHz～300GHz。微波作用的本质是电磁波对带电粒子的作用，是物质在外加电磁场作用下内部介质极化产生的极化强度矢量滞后于电场变化而导致与电场同相的电流产生，导致了材料的内耗。由于此种能量来自反应物溶剂内部，本身不需要传热媒体，不靠对流，样品温度便可以很快上升，从而可以全面、快速、均匀地加热反应物溶剂，达到提高化学反应速率的目的。微波除了有热效应外还有非热效应，可以有选择性地加热，从而使化学反应具有一定的选择性。

微波水热法作为一种快速制备粒径分布窄、形态均一的纳米粒子的方法，具有其他一些方法不可比拟的优越性。微波水热合成与传统的固相反应相比有如下特点：

(1)由于在微波水热条件下反应物反应性能的改变、活性的提高，微波水热合成方法有可能代替固相反应以及难于进行的合成反应。

(2)微波水热加热速率快，能够在短时间内合成纯度高、粒度细、晶粒尺寸分布均匀的粉体。

(3)由于易于调节水热条件下的环境气氛，因而有利于低价态、中间价态与特殊价态化合物的生成，并能均匀地进行掺杂。

(4)微波水热的低温、等压、溶液条件，有利于生长极少缺陷、取向好、完美的晶体，且合成产物结晶度高以及易于控制产物晶体的粒度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种微波水热方法制备锂掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉体的方法，其反应温度低，反应时间短，且工艺简单、效率高、能耗低、成本低廉、对环境友好。

为实现上述目的，本发明还提供了一种微波水热方法制备锂掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉体的方法，包括以下步骤：

步骤1：取固体的KOH、NaOH、LiOH、Nb₂O₅，加水配制成混合溶液，搅拌使LiOH、KOH、NaOH完全溶解，形成溶液A，在溶液A中，KOH浓度为7～10mol/L，NaOH浓度为2～5mol/L，LiOH浓度为0.2～0.8mol/L，Nb₂O₅浓度为0.2～0.8mol/L；

步骤2：将步骤1的溶液A放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，再将反应釜放入微波水热反应仪中，设定功率300～500w，在温度为190～230℃下反应30～90mins后停止反应；

步骤3：待反应温度降至室温后，将反应釜取出，将反应釜内的上清液倒掉，收集沉淀物，用水将沉淀物洗涤至中性后，再用无水乙醇洗涤，最后在80℃下干燥8小时。

本发明微波水热方法制备锂掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉体的方法至少具有以下优点：本发明方法装置简单、反应温度低(200℃附近)、反应时间短(反应时间60min左右)，制备的粉体反应活性高(烧结温度低于传统固相烧结制备的粉体)，是一种工艺简单、高效率、低能耗、成本低廉的环境友好型的制备方法。

附图说明

图1是本发明锂掺杂铌酸钾钠粉体XRD图(反应温度为220℃，反应时间为60mins)；

图2是本发明锂掺杂铌酸钾钠粉体SEM图(反应温度为220℃，反应时间为60mins)。

具体实施方式

实施例1

步骤1：称取固体的KOH、NaOH、LiOH、Nb₂O₅，加水配制成混合溶液，搅拌使LiOH、KOH、NaOH完全溶解，形成溶液A，在溶液A中，KOH浓度为7.7mol/L，NaOH浓度为4mol/L，LiOH浓度为0.4mol/L，Nb₂O₅浓度为0.2mol/L；

步骤2：将步骤1所得的溶液A放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，再将反应釜放入微波水热反应仪MDS-8中，设定功率400w，在温度为220℃下反应60mins后停止反应；

步骤3：待反应温度降至室温后，将反应釜取出，将反应釜内的上清液倒掉，收集沉淀物；

步骤4：用水将沉淀物洗涤至中性后，再用无水乙醇洗涤3遍，提高粉体的分散性，防止粉体团聚；

步骤5：在80℃下干燥8小时，取出待测。

实施例2

步骤1：称取固体的KOH、NaOH、LiOH、Nb₂O₅，加水配制成混合溶液，搅拌使LiOH、KOH、NaOH完全溶解，形成溶液A，在溶液A中，KOH浓度为8.5mol/L，NaOH浓度为5mol/L，LiOH浓度为0.7mol/L，Nb₂O₅浓度为0.6mol/L；

步骤2：将步骤1所得的溶液A放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，再将反应釜放入微波水热反应仪MDS-8中，设定功率500w，在温度为230℃下反应30mins后停止反应；

步骤3：待反应温度降至室温后，将反应釜取出，将反应釜内的上清液倒掉，收集沉淀物；

步骤4：用水将沉淀物洗涤至中性后，再用无水乙醇洗涤3遍，提高粉体的分散性，防止粉体团聚；

步骤5：在80℃下干燥8小时，取出待测。

实施例3

步骤1：称取固体的KOH、NaOH、LiOH、Nb₂O₅，加水配制成混合溶液，搅拌使LiOH、KOH、NaOH完全溶解，形成溶液A，在溶液A中，KOH浓度为10mol/L，NaOH浓度为4.5mol/L，LiOH浓度为0.8mol/L，Nb₂O₅浓度为0.8mol/L；

步骤2：将步骤1所得的溶液A放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，再将反应釜放入微波水热反应仪MDS-8中，设定功率450w，在温度为225℃下反应50mins后停止反应；

步骤3：待反应温度降至室温后，将反应釜取出，将反应釜内的上清液倒掉，收集沉淀物；

步骤4：用水将沉淀物洗涤至中性后，再用无水乙醇洗涤3遍，提高粉体的分散性，防止粉体团聚；

步骤5：在80℃下干燥8小时，取出待测。

实施例4

步骤1：称取固体的KOH、NaOH、LiOH、Nb₂O₅，加水配制成混合溶液，搅拌使LiOH、KOH、NaOH完全溶解，形成溶液A，在溶液A中，KOH浓度为7mol/L，NaOH浓度为3mol/L，LiOH浓度为0.2mol/L，Nb₂O₅浓度为0.3mol/L；

步骤2：将步骤1所得的溶液A放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，再将反应釜放入微波水热反应仪MDS-8中，设定功率350w，在温度为190℃下反应80mins后停止反应；

步骤3：待反应温度降至室温后，将反应釜取出，将反应釜内的上清液倒掉，收集沉淀物；

步骤4：用水将沉淀物洗涤至中性后，再用无水乙醇洗涤3遍，提高粉体的分散性，防止粉体团聚；

步骤5：在80℃下干燥8小时，取出待测。

实施例5

步骤1：称取固体的KOH、NaOH、LiOH、Nb₂O₅，加水配制成混合溶液，搅拌使LiOH、KOH、NaOH完全溶解，形成溶液A，在，溶液A中，KOH浓度为7.6mol/L，NaOH浓度为2mol/L，LiOH浓度为0.3mol/L，Nb₂O₅浓度为0.45mol/L；

步骤2：将步骤1所得的溶液A放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，再将反应釜放入微波水热反应仪MDS-8中，设定功率300w，在温度为180℃下反应90mins后停止反应；

步骤3：待反应温度降至室温后，将反应釜取出，将反应釜内的上清液倒掉，收集沉淀物；

步骤4：用水将沉淀物洗涤至中性后，再用无水乙醇洗涤3遍，提高粉体的分散性，防止粉体团聚；

步骤5：在80℃下干燥8小时，取出待测。

以XRD测定粉体的物相组成结构，以SEM测定粉体的微观形貌，其结果如图1和图2所示，从中可知，以微波水热方法制备的锂掺杂铌酸钾钠无铅压电陶瓷粉体具有纯钙钛矿结构，晶粒尺寸约为200～400nm的立方形貌。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (1)

1.一种微波水热方法制备锂掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉体的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：取固体的KOH、NaOH、LiOH、Nb₂O₅，加水配制成混合溶液，搅拌使LiOH、KOH、NaOH完全溶解，形成溶液A，在溶液A中，KOH浓度为7～10mol/L，NaOH浓度为2～5mol/L，LiOH浓度为0.2～0.8mol/L，Nb₂O₅浓度为0.2～0.8mol/L；

步骤2：将步骤1的溶液A放入聚四氟乙烯内衬的反应釜中，再将反应釜放入微波水热反应仪中，设定功率300～500w，在温度为190～230℃下反应30～90mins后停止反应；

步骤3：待反应温度降至室温后，将反应釜取出，将反应釜内的上清液倒掉，收集沉淀物，用水将沉淀物洗涤至中性后，再用无水乙醇洗涤，最后在80℃下干燥8小时。

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