CN104119077B - 一种水热法一步合成无铅压电K0.1Na0.9NbO3 粉体的方法 - Google Patents
一种水热法一步合成无铅压电K0.1Na0.9NbO3 粉体的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种无铅压电陶瓷K0.1Na0.9NbO3粉体的制备方法,特别是一种水热法一步合成K0.1Na0.9NbO3粉体的方法,包括以下步骤:步骤1:分别取浓度为5mol/L的氢氧化钾溶液和氢氧化钠溶液,按摩尔比KOH:NaOH=3~9:1将其均匀混合,形成混合碱液xmol;步骤2:按摩尔比混合碱液x:五氧化二铌=20~5:1的比例将五氧化二铌加入混合碱液,磁力搅拌30~60min,形成均匀的前驱液;将前驱液在180~220℃,6~10h的条件下水热反应,然后冷却至室温,得到物料D;步骤3:将物料D用去离子水冲洗至中性后,烘干即得K0.1Na0.9NbO3粉体。本发明工艺简单,重复性好,反应环境要求较低,并且制备出的K0.1Na0.9NbO3粉体晶粒尺寸小,纯度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种无铅压电陶瓷K0.1Na0.9NbO3粉体的制备方法,特别是一种水热法一步合成K0.1Na0.9NbO3粉体的方法。
背景技术
近年来,作为电光材料而备受重视的碱金属铌酸盐即NaNbO3、KNbO3等ABO3型化合物,相比于PZT等铅基压电陶瓷,在各方面都有着更为优异的性能,即介电常数小、频率常数大、压电性高以及密度小等等。电子产品无铅化的发展是适应人类社会可持续发展潮流的,因而无铅压电陶瓷的研究和开发已成为研究热门。此外,又由于Nb、Na、K等金属离子对人体和自然环境来说都属无毒物质,并且NaNbO3-KNbO3体系在改进传统烧结工艺之后,各项性能都能大大优于其它体系的无铅压电陶瓷,毫无疑问,NaNbO3-KNbO3体系陶瓷又成为备受瞩目的研究对象。
相对于PZT陶瓷,(K,Na)NbO3陶瓷还具有更适宜的介电常数、较低的机械Qm值,低密度以及高的声传播速度等优点,因而在高频换能器领域也得到了应用。最重要的是,(K,Na)NbO3陶瓷高达420℃的居里温度,有望实现在高温条件下的高性能器件的开发使用,进而创造(K,Na)NbO3压电陶瓷的研究价值。铌酸钾钠的性能与其纯度、颗粒形状、颗粒尺寸及分布有关。因此,希望得到高纯度、尽可能小的颗粒尺寸、以及高致密度的颗粒的铌酸钾钠的制备方法,成为当下科学研究的热点。为了这一目的,相继报道了采用化学沉淀法、溶胶-凝胶法制备该材料,但是以上方法或是操作复杂,或是工艺复杂,周期长,重复性差。相比之下,水热法具有合成铌酸钾钠的一定优势,所以是大部分研究员采用的方法;但是传统水热法无法避免三个问题:1、由于K、Na两种离子与Nb的结合能力相差太大,若是通过传统一步水热法合成,往往(K,Na)NbO3粉体中根本体现不出来K的存在;2、若是采用NaNbO3、KNbO3分开合成再水合,又将面临混合后均匀度以及混合后钾钠比合理控制的问题,实验的操作重复性和准确度都不能很好的控制;3、在(K,Na)NbO3粉体制备过程中,所需要的碱环境要求很高,这不仅是一种对原料的浪费,也对实验设备的要求很高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足,提供一种工艺简单,重复性好,反应环境要求较低的水热法一步合成无铅压电K0.1Na0.9NbO3粉体的方法,并且制备出的K0.1Na0.9NbO3粉体晶粒尺寸小,纯度高。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:包括以下步骤,
步骤1:分别取浓度为5mol/L的氢氧化钾溶液和氢氧化钠溶液,按摩尔比KOH∶NaOH=3~9∶1将其均匀混合,形成混合碱液,所述混合碱液中KOH与NaOH共xmol;
步骤2:按摩尔比x∶五氧化二铌=5~20∶1的比例将五氧化二铌加入混合碱液,磁力搅拌30~60min,形成均匀的前驱液;将前驱液在180~220℃,6~10h的条件下水热反应,然后冷却至室温,得到物料D;
步骤3:将物料D用去离子水冲洗至中性后,烘干即得K0.1Na0.9NbO3粉体。
进一步的,步骤1所述混合碱液中还包括异丙醇溶液,且体积比为异丙醇溶液∶混合碱液=1:4。
进一步的,步骤2所述水热反应的具体操作:将前驱液放入水热反应釜中,水热反应釜的填充度为80%,密封后放入恒温箱中进行水热反应。
进一步的,步骤2所述五氧化二铌的量为0.005~0.02mol。
进一步的,步骤3所述烘干的条件为:60~80℃,12~24h。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:本发明通过先制备混合碱液,再使用混合碱液与五氧化二铌进行水热反应,一步制备出K0.1Na0.9NbO3,制备工艺简单,制备周期短,重复性好,避免了由于K、Na两种离子与Nb的结合能力相差太大而导致的粉体中不能体现K的存在;并且制备混合碱液使用的氢氧化钾溶液和氢氧化钠溶液的浓度较低,从而对反应环境的要求比较低,减少了原材料的使用,降低了成本;所制备粉体具有很高的纯度、均匀度;不含Pb等有害化合物,符合绿色电子材料制造的要求。
附图说明
图1为本发明实施例4提供方法制备的无铅压电陶瓷K0.1Na0.9NbO3粉体的X-射线衍射图;
图2为本发明实施例4提供方法制备的无铅压电陶瓷K0.1Na0.9NbO3粉体的SEM图。
具体实施方式
本发明提供的一种水热法一步合成K0.1Na0.9NbO3粉体的方法,包括以下步骤:步骤1:取浓度为5mol/L的氢氧化钾溶液A和5mol/L的氢氧化钠溶液B,按摩尔比KOH∶NaOH=3~9∶1将A和B均匀混合得到混合液,按每20ml的混合液加入5ml异丙醇的比例形成混合碱液C,混合碱液中KOH和NaOH共xmol;
步骤2:按摩尔比x∶五氧化二铌=5~20∶1的比例将五氧化二铌加入混合碱液C,所述五氧化二铌的量为0.005~0.02mol;磁力搅拌30~60min,形成均匀的前驱液;将前驱液放入水热反应釜中,水热反应釜的填充度为80%,密封后放入恒温箱中,在180~220℃,6~10h的条件下水热反应,然后冷却至室温,得到物料D;
步骤3:将物料D用去离子水冲洗至中性后,在60~80℃,12~24h烘干即得K0.1Na0.9NbO3粉体。
实施例1
步骤一:取浓度为5mol/L的氢氧化钾溶液A和浓度为5mol/L的氢氧化钠溶液B;按照KOH/NaOH摩尔比为3∶1的比例将溶液A加入到均匀溶液B中,搅拌均匀得混合液,按每20ml的混合液加入5ml异丙醇的比例加入异丙醇形成混合碱液C,混合碱液中KOH和NaOH共xmol;
步骤二:按摩尔比x∶五氧化二铌=20∶1的比例将0.005mol五氧化二铌加入混合碱液,使用磁力搅拌器,搅拌30min,形成均匀的前驱液;将前驱液倒入水热反应釜中,控制填充度为80%,密封后放入恒温箱中在220℃温度下进行水热合成6h,冷却至室温,得到物料D;
步骤三:将物料D用去离子水冲洗至中性后,在60℃烘干24h,即得K0.1Na0.9NbO3粉体。
实施例2:
步骤一:取浓度为5mol/L的氢氧化钾溶液A和浓度为5mol/L的氢氧化钠均匀溶液B;按照KOH/NaOH摩尔比为6∶1的比例将均匀溶液A加入到均匀溶液B中,搅拌均匀得混合液,按每20ml的混合液加入5ml异丙醇的比例异丙醇形成混合碱液C,混合碱液中KOH和NaOH共xmol;
步骤二:按摩尔比x∶五氧化二铌=10∶1的比例将0.01mol五氧化二铌加入混合碱液,使用磁力搅拌器,搅拌60min,形成均匀的前驱液;将前驱液倒入水热反应釜中,控制填充度为80%,密封后放入恒温箱中在180℃温度下进行水热合成10h,冷却至室温,得到物料D;
步骤四:将物料D用去离子水冲洗至中性后,在80℃烘干12h,即得K0.1Na0.9NbO3粉体。
实施例3
步骤一:取浓度为5mol/L的氢氧化钾溶液A和浓度为5mol/L的氢氧化钠均匀溶液B;按照KOH/NaOH摩尔比为9∶1的比例将均匀溶液A加入到均匀溶液B中,搅拌均匀得混合液,按每20ml的混合液加入5ml异丙醇溶液的比例加形成混合碱液C,混合碱液中KOH和NaOH共xmol;
步骤二:按摩尔比x∶五氧化二铌=20∶1的比例将0.005mol五氧化二铌加入混合碱液,使用磁力搅拌器,搅拌30-60min,形成均匀的前驱液;将前驱液倒入水热反应釜中,控制填充度为80%,密封后放入恒温箱中在200℃温度下进行水热合成8h,冷却至室温。
步骤三:取出反应釜内的物料用去离子水冲洗至中性后,在70℃烘干24h,即得K0.1Na0.9NbO3粉体。
实施例4
步骤一:取浓度为5mol/L的氢氧化钾溶液A和浓度为5mol/L的氢氧化钠均匀溶液B;按照K/Na摩尔比为3∶1的比例将均匀溶液A加入到均匀溶液B中,搅拌均匀得混合液,按每20ml的混合液加入5ml异丙醇的比例加入异丙醇形成混合碱液C,混合碱液中KOH和NaOH共xmol;
步骤二:按摩尔比x∶五氧化二铌=10∶1的比例将0.01mol五氧化二铌加入混合碱液,使用磁力搅拌器,搅拌30-60min,形成均匀的前驱液;将前驱液倒入水热反应釜中,控制填充度为80%,密封后放入恒温箱中在180℃温度下进行水热合成8h,然后冷却至室温,得到物料D;
步骤四:将物料D用去离子水冲洗至中性后,在80℃烘干12h,即得K0.1Na0.9NbO3粉体。
实施例5
步骤一:取浓度为5mol/L的氢氧化钾溶液A和浓度为5mol/L的氢氧化钠溶液B;按照KOH/NaOH摩尔比为6∶1的比例将溶液A加入到均匀溶液B中,搅拌均匀得混合液,按每20ml的混合液加入5ml异丙醇的比例加入异丙醇形成混合碱液C,混合碱液中KOH和NaOH共xmol;
步骤二:按摩尔比x∶五氧化二铌=5∶1的比例将0.02mol五氧化二铌加入混合碱液,使用磁力搅拌器,搅拌30-60min,形成均匀的前驱液;将前驱液倒入水热反应釜中,控制填充度为80%,密封后放入恒温箱中在220℃温度下进行水热合成6h,冷却至室温,得到物料D;
步骤三:将物料D用去离子水冲洗至中性后,在70℃烘干20h,即得K0.1Na0.9NbO3粉体。
请参阅图1所示,将所制得的K0.1Na0.9NbO3粉体用日本理学D/max2000PCX-射线衍射仪分析样品,发现产物为JCPDS编号为74-2025的K0.1Na0.9NbO3。
请参阅图2所示,由本发明方法制备出来的立方形K0.1Na0.9NbO3粉体,颗粒表面规则,颗粒发育完整,组分均匀。
Claims (4)
1.一种水热法一步合成无铅压电K0.1Na0.9NbO3粉体的方法,其特征在于:包括以下步骤,
步骤1:分别取浓度为5mol/L的氢氧化钾溶液和氢氧化钠溶液,按摩尔比KOH:NaOH=3~9:1将其均匀混合,得到混合液,按每20ml的混合液加入5ml异丙醇的比例形成混合碱液,所述混合碱液中KOH与NaOH共xmol;
步骤2:按摩尔比x:五氧化二铌=5~20:1的比例将五氧化二铌加入混合碱液,磁力搅拌30~60min,形成均匀的前驱液;将前驱液在180~220℃,6~10h的条件下水热反应,然后冷却至室温,得到物料D;
步骤3:将物料D用去离子水冲洗至中性后,烘干即得K0.1Na0.9NbO3粉体。
2.根据权利要求1所述的一种水热法一步合成无铅压电K0.1Na0.9NbO3粉体的方法,其特征在于:步骤2所述水热反应的具体操作:将前驱液放入水热反应釜中,水热反应釜的填充度为80%,密封后放入恒温箱中进行水热反应。
3.根据权利要求1或2所述的一种水热法一步合成无铅压电K0.1Na0.9NbO3粉体的方法,其特征在于:步骤2所述五氧化二铌的量为0.005~0.02mol。
4.根据权利要求1所述的一种水热法一步合成无铅压电K0.1Na0.9NbO3粉体的方法,其特征在于:步骤3所述烘干的条件为:60~80℃,12~24h。
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