CN103011839A - 一种水热法制备立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3 无铅压电陶瓷粉体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水热法制备立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体的方法，将原料Li2CO3和Ta2O5及矿化剂LiOH·H2O加入水中配成各自加入量分别为0.20mol/L、0.10mol/L和0.44~0.61mol/L的混合液；将混合液搅拌均匀，得前驱液；将前驱液移入反应釜内衬中，设定反应温度为240℃，反应时间为36h；反应结束后，将产物洗涤、干燥，得到LiTaO3无铅压电陶瓷粉体。本发明在较低的反应温度和时间下制备出结晶性能良好、晶相稳定的三方晶系的LiTaO3粉体，制得的LiTaO3粉体为立方块状与小球粒状混合结构。本发明装置及工艺简单、环境友好、能耗低、成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于功能材料领域，具体涉及一种水热法制备立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体的方法。
背景技术
压电、铁电陶瓷是功能陶瓷材料中应用最广泛的一类，广泛应用在换能器、驱动器、声表面波以及滤波器、谐振器、限波器等频率器件领域，包括电容器陶瓷在内的压电、铁电陶瓷在世界市场份额中占整个功能陶瓷的三分之一。
1954年美国B.Jaffe等发现了PbZrO3-PbTiO3(PZT)体系，该体系中存在着与温度无关的相变，在相变点附近压电性能出现极值。衍生出一系列新的压电陶瓷材料。但是，由于在PZT系陶瓷中PbO的含量超过原料总质量的60%以上，PbO是易挥发性的有毒物质，长时间工作在具有PbO的环境中，PbO将蓄积在人的体内，致使大脑和神经系统受到损伤。另外，铅基压电陶瓷被废弃后因管理不善而被丢弃在大自然中，铅可以通过酸雨等途径带入水中、渗进土壤，造成对地下水和农田的污染，给生态环境带来严重的危害。欧盟规定到2006年7月1日，所有新生产的电子产品都应是无铅的。我国信息产业部也将铅等有害物质列入电子信息产品污染防治目录，但是，由于现在无铅压电陶瓷的性能还无法达到取代铅基压电陶瓷的要求，所以只能暂时把含铅的压电陶瓷列在被禁止的名单之外。然而，由于人类可持续发展的需要，压电陶瓷的无铅化是最终的发展方向。
目前，在压电陶瓷无铅化的研究与开发上，世界各国均进行了大量的工作。无铅压电陶瓷体系主要有6类：(1)钛酸钡（BaTiO3,简写为BT）基无铅压电陶瓷;(2)钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3,简写为BNT)基无铅压电陶瓷;(3)铋层状结构无铅压电陶瓷;(4)铌酸盐系(包括K0.5Na0.5NbO3,简写为KNN)无铅压电陶瓷;(5)钨青铜结构无铅压电陶瓷(6)根据Satensky规则掺杂、复合取代改性而新开发的无铅压电陶瓷体系。
与其它体系陶瓷相比，KNN系无铅压电陶瓷因具有介电常数小、压电性能高、频率常数大、密度小、居里温度高等特点，成为当前最有可能取代铅基压电陶瓷的体系之一。然而，传统工艺获得KNN压电陶瓷有以下的缺点:(1)在1140℃以上，KNN会出现液相，所以KNN的温度稳定性被限制在1140℃以下。(2)由于在900℃左右Na和K会以氧化物Na2O和K2O形成开始挥发，造成预烧和烧结的气氛很难控制；(3)KNN在潮湿的环境时非常容易发生潮解，使化学计量发生偏离，导致产生杂相，使陶瓷难以烧结致密。上述原因都限制了KNN体系材料的实际应用。为了克服纯KNN陶瓷的上述缺陷、优化它的压电性能，A位离子的Na+和K+由Li+、Ag+等离子部分取代，B位的Nb5+由Ta5+、Sb5+等离子部分取代，从而形成新的KNN基钙钛矿结构固溶(K、Na、Li、Ag)(Nb、Ta、Sb)O3是提高KNN陶瓷压电性能的有效方法之一。
发明内容
本发明的目的在于克服传统氧化法制备LiTaO3纯度较低的问题，提出一种水热法制备立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体的方法，具有反应温度低，反应时间短，工艺简单，环境友好，合成的粉体纯度较高及形貌较好的优点。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种水热法制备立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体的方法，包括以下步骤：
步骤1：将原料Li2CO3和Ta2O5及矿化剂LiOH·H2O加入水中配成混合液，其中Li2CO3的浓度为0.20mol/L，Ta2O5的加入量为0.10mol/L，LiOH·H2O的浓度为0.44~0.61mol/L;
步骤2：搅拌混合液，使Li2CO3和LiOH·H2O完全溶解，并使原料混合均匀，得水热反应的前驱液;
步骤3：将前驱液移入反应釜的内衬中，再将内衬放入反应釜中，设定反应温度为240℃，反应时间为36h；
步骤4：待反应结束，反应釜温度降至室温后，取出反应釜，将反应釜中的产物洗涤后，再干燥，得到立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体。
本发明进一步的改进在于：所述步骤1中LiOH·H2O的浓度为0.61mol/L。
本发明进一步的改进在于：所述步骤2中的搅拌在室温下进行。
本发明进一步的改进在于：所述步骤2中的搅拌采用磁力搅拌。
本发明进一步的改进在于：所述步骤3中前驱液在反应釜内衬中的填充比为70%。
本发明进一步的改进在于：所述步骤3中的反应釜内衬为聚四氟乙烯材质，反应釜为不锈钢材质。
本发明进一步的改进在于：所述步骤4中的洗涤为用去离子水和无水乙醇洗涤产物至中性。
本发明进一步的改进在于：所述步骤4中的干燥为在70℃下恒温干燥2h。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明采用Li2CO3（碳酸锂）和Ta2O5（五氧化二钽）为原料，以LiOH·H2O（一水合氢氧化锂）为矿化剂，采用水热法在较低的反应温度和时间下制备出纯度较高、结晶性能良好的LiTaO3粉体，制得的LiTaO3粉体为立方块状与小球粒状混合结构，形貌较好，且制得的LiTaO3粉体为三方晶系，晶相稳定。本发明的反应温度低于传统固相烧结法制备粉体温度，本发明采用的装置简单、能耗低、成本低廉，是一种工艺简单、低温、高效、环境友好的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体制备方法。
附图说明
图1是本发明实施例3制备的LiTaO3粉体的XRD图；
图2是本发明实施例3制备的LiTaO3粉体的SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1
一种水热法制备立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体的方法，包括以下步骤：
步骤1：将Li2CO3、Ta2O5和LiOH·H2O加入H2O中配成混合液，其中Li2CO3的浓度为0.20mol/L，LiOH·H2O的浓度为0.44mol/L，Ta2O5的加入量为0.10mol/L；
步骤2：室温下磁力搅拌混合液，使Li2CO3与LiOH·H2O完全溶解，并使原料混合均匀，得水热反应的前驱液;
步骤3：将步骤2所得的前驱液移入聚四氟乙烯内衬的反应釜中,控制前驱液的体积填充比为70%，再将聚四氟乙烯内衬放入不锈钢反应釜中，设定温度控制仪控制反应温度为240℃，反应时间为36h；
步骤4：待反应结束，反应釜温度降至室温后，取出反应釜，将反应釜中的产物用去离子水和无水乙醇洗涤至中性后，在70℃下恒温干燥2h，得到纯相的立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体。
实施例2
一种水热法制备立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体的方法，包括以下步骤：
步骤1：将Li2CO3、LiOH·H2O和Ta2O5加入H2O中配成混合液，其中Li2CO3的浓度为0.20mol/L，LiOH·H2O的浓度为0.51mol/L，Ta2O5的加入量为0.10mol/L；
步骤2：室温下磁力搅拌混合液，使Li2CO3和LiOH·H2O完全溶解，并使原料混合均匀，得水热反应的前驱液;
步骤3：将步骤2所得的前驱液移入聚四氟乙烯内衬的反应釜中,控制前驱液的体积填充比为70%，再将聚四氟乙烯内衬放入不锈钢反应釜中，设定温度控制仪控制反应温度为240℃，反应时间为36h；
步骤4：待反应结束，反应釜温度降至室温后，取出反应釜，将反应釜中的产物用去离子水和无水乙醇洗涤至中性后，在70℃下恒温干燥2h，得到纯相的立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体。
实施例3
一种水热法制备立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体的方法，包括以下步骤：
步骤1：将Li2CO3、LiOH·H2O和Ta2O5加入H2O中配成混合液，其中Li2CO3的浓度为0.20mol/L，LiOH·H2O的浓度为0.61mol/L，Ta2O5的加入量为0.10mol/L；
步骤2：室温下磁力搅拌混合液，使Li2CO3和LiOH·H2O完全溶解，并使原料混合均匀，得水热反应的前驱液;
步骤3：将步骤2所得的前驱液移入聚四氟乙烯内衬的反应釜中,控制前驱液的体积填充比为70%，再将聚四氟乙烯内衬放入不锈钢反应釜中，设定温度控制仪控制反应温度为240℃，反应时间为36h；
步骤4：待反应结束，反应釜温度降至室温后，取出反应釜，将反应釜中的产物用去离子水和无水乙醇洗涤至中性后，在70℃下恒温干燥2h，得到纯相的立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体。
采用XRD测定实施例3制备的LiTaO3粉体的物相组成，图1是本发明实施例3制备的LiTaO3粉体的XRD图；从图1中可以看出实例3制得的LiTaO3样品的所有衍射峰与PDF卡片(JCPDS NO.71-0951)完全吻合，说明制得的LiTaO3粉体为三方晶系，同时衍射峰的强度很高，说明LiTaO3晶体的结晶性良好，晶相稳定，LiTaO3粉体的纯度较高。
图2是本发明实施例3制备的LiTaO3粉体的SEM图。从图2可以看出制得的LiTaO3粉体为立方块状与小球粒状的混合结构。
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法案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵。
Claims (8)
1.一种水热法制备立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3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：将原料Li2CO3和Ta2O5及矿化剂LiOH·H2O加入水中配成混合液，其中Li2CO3的浓度为0.20mol/L，Ta2O5的加入量为0.10mol/L，LiOH·H2O的浓度为0.44~0.61mol/L;
步骤2：搅拌混合液，使Li2CO3和LiOH·H2O完全溶解，并使原料混合均匀，得水热反应的前驱液;
步骤3：将前驱液移入反应釜的内衬中，再将内衬放入反应釜中，设定反应温度为240℃，反应时间为36h；
步骤4：待反应结束，反应釜温度降至室温后，取出反应釜，将反应釜中的产物洗涤后，再干燥，得到立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体。
2.根据权利要求1所述的水热法制备立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体的方法，其特征在于：所述步骤1中LiOH·H2O的浓度为0.61mol/L。
3.根据权利要求1所述的水热法制备立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体的方法，其特征在于：所述步骤2中的搅拌在室温下进行。
4.根据权利要求1或2所述的水热法制备立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体的方法，其特征在于：所述步骤2中的搅拌采用磁力搅拌。
5.根据权利要求1所述的水热法制备立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体的方法，其特征在于：所述步骤3中前驱液在反应釜内衬中的填充比为70%。
6.根据权利要求1所述的水热法制备立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体的方法，其特征在于：所述步骤3中的反应釜内衬为聚四氟乙烯材质，反应釜为不锈钢材质。
7.根据权利要求1所述的水热法制备立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体的方法，其特征在于：所述步骤4中的洗涤为用去离子水和无水乙醇洗涤产物至中性。
8.根据权利要求1所述的水热法制备立方块状与小球粒状混合结构的LiTaO3无铅压电陶瓷粉体的方法，其特征在于：所述步骤4中的干燥为在70℃下恒温干燥2h。
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