CN104788094A - 一种钛酸铋陶瓷材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钛酸铋陶瓷材料的制备方法，所述钛酸铋陶瓷材料中钛酸铋以片状钛酸铋晶粒的形式存在，所述制备方法包括：1）先将钛酸铋陶瓷粉体预合成后粉碎，再在向其中加入可烧蚀纤维进行湿法球磨，烘干后压块，制备得到陶瓷素坯；2）将陶瓷素坯在1000-1100℃下烧结去除棉纤维，得到以片状钛酸铋晶粒的形式存在的钛酸铋陶瓷材料。<b/>

Description

一种钛酸铋陶瓷材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种片状钛酸铋(Bi4Ti3O12，以下简称BIT)模板晶粒的制备方法，属于无铅压电陶瓷模板晶粒的制备领域。
背景技术
高温压电陶瓷材料被广泛应用于宇航、核工、石化、地质勘探等领域，但性能优良、使用温度高且稳定的高温压电陶瓷材料非常少。目前工业常用的压电陶瓷材料为钛酸铋(Bi4Ti3O12)，其压电活性较稳定，使用温度能达到460℃。但纯BIT的耐受电压性能较差，极化时难以增加极化电压，限制了压电系数d33的增加。热压定向和流延成型织构化是提高BIT的压电活性的有效方法。
织构化技术是通过工艺控制，使原本随机取向的晶粒定向排列，得到接近单晶材料的优异性能，其制备方法简单，控制方便，在成本和生产规模上都优于单晶材料。特别是铋层状陶瓷材料具有特殊的各向异性微观结构和片层状的晶粒形貌，在导电、压电和介电性能也存在明显的径向和厚度方向的差别，在传统掺杂的基础上通过进一步定向处理，可以在不改变原始组成的情况下，适当提高某一方向的性能，以更好的满足高温压电应用。
目前，研究较多的织构化技术为热压烧结和熔盐-流延法。其中热压烧结需要专门的烧结设备，而熔盐法制备模板晶粒时则要消耗大量的无机盐。因此，该领域迫切需要一种能耗低、污染少的织构化技术。
发明内容
本发明旨在克服现有钛酸铋晶粒制备方法的缺陷，本发明提供了一种钛酸铋陶瓷材料的制备方法。
本发明提供了一种钛酸铋陶瓷材料的制备方法，所述钛酸铋陶瓷材料中钛酸铋以片状钛酸铋晶粒的形式存在，所述制备方法包括：
1)先将钛酸铋陶瓷粉体预合成后粉碎，再在向其中加入可烧蚀纤维进行湿法球磨，烘干后压块，制备得到陶瓷素坯；
2)将陶瓷素坯在1000-1100℃下烧结去除棉纤维，得到以片状钛酸铋晶粒的形式存在钛酸铋陶瓷材料。
在制备模板晶粒时，本发明通过添加一些棉纤维等易于烧蚀的纤维，改变钛酸铋粉体的空间分布，得到均匀片状的晶粒结构，原料环保易得，避免了无机盐的消耗和污染。本发明公布的制备方法，通过调节纤维的尺寸，也可以进一步调节晶粒的形貌和表面积。在得到片状晶粒的同时还可以得到具有一定强度的多孔陶瓷结构，由于近年报道微米级的钛酸铋晶粒本身具有一定的光催化能力，其也有望用作催化材料的载体。
较佳地，片状钛酸铋晶粒的直径在5-15μm之间，厚度在0.5-1.0μm之间。
较佳地，钛酸铋陶瓷粉体的制备方式包括：
根据钛酸铋的化学式，称取TiO2粉体和Bi2O3粉体，球磨混合后在750℃～850℃煅烧1～3小时，得到钛酸铋陶瓷粉体。
较佳地，所述可烧蚀纤维的用量为钛酸铋陶瓷粉体质量的5％—20％。
较佳地，将钛酸铋陶瓷粉体与塑化剂一起进行湿法球磨，所述塑化剂包括PVA，塑化剂的加入量为钛酸铋陶瓷粉体重量的5～8％。
较佳地，所述陶瓷素坯在烧结之间进行排塑处理，排塑处理的参数包括：以1-3℃/分钟的升温速率，升温至600-800℃，保温1-3小时。
较佳地，所述的烧结条件为以1-3℃/分钟的升温速度升至1000～1150℃，保温1.5～2.5小时。
本发明的有益效果：
本发明的片状晶粒与现有改性技术相比，避免了大量无机盐的浪费，晶粒形貌和大小更容易控制，并且制备方法简单、原料易得。该方法可作为铋层状陶瓷片状晶粒制备的普适方法，为制备高度取向的模板晶粒提供了一种新的思路。
附图说明
图1示出了实施例1所得钛酸铋陶瓷材料中片状钛酸铋晶粒的SEM图；
图2示出了实施例1所得的多孔的陶瓷素坯的SEM图；
图3示出了未添加棉纤维制得的钛酸铋陶瓷的SEM图；
图4示出了添加钛酸铋粉体质量5％的活性炭制得的钛酸铋陶瓷的SEM图。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明的目的在于提出一种制备片状钛酸铋晶粒的新方法，以避免传统熔盐法制备时对无机盐的浪费，本方法制备具有一定强度的多孔陶瓷结构，该陶瓷由均匀良好的微米级片状晶粒组成，晶粒径向长度10μm左右，厚度方向0.5～1.0μm，具有较大的长径比，是一种合适的模板晶粒。所述方法通过添加棉纤维等可烧蚀纤维，改变钛酸铋粉体的空间分布，获得微米级的片状晶粒。
本发明的公布的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用TiO2和Bi2O3粉体为原料，球磨混合后经过750℃～850℃煅烧1～3h，得到钛酸铋纯相粉体；
(2)将得到的钛酸铋粉体添加适量塑化剂和溶剂球磨混合后，加入适量棉纤维，经过成型和烘干处理，得到具有一定强度的素坯；
将素坯在1000-1100℃烧结除去塑化剂和棉纤维，晶粒呈均匀的片状，粉碎后得到片状晶粒。
步骤(1)中所述的湿式球磨法混合中，按照原料:球：水＝1:(1.5～1.8):(0.7～1.0)的质量比混合20～28小时，其中球磨介质为钢球、锆球或玛瑙球，水为去离子水；
烘干后压块，煅烧得到陶瓷粉体；所述的烧结条件为以2℃/min的升温速度升至750～850℃，保温1～3小时。
步骤(2)中，将步骤(1)所得的陶瓷粉体用湿式球磨法细磨，加入钛酸铋粉体质量5％～20％的棉纤维后干燥，20～40MPa压力下成型后升温烧结，得到陶瓷坯体；
所述的湿式球磨法中，按照陶瓷粉体:球:水＝1:(1.5～1.8):(0.7～0.9)的质量比细磨，以使得陶瓷粉体的粒径较细且分布窄，其中球磨介质为钢球、锆球或玛瑙球，水为去离子水；所述的湿式球磨法细磨时间为20～28小时，细磨后得到陶瓷粉料；
所述的烧结条件为以2℃/min的升温速度升至1000～1150℃保温1.5～2.5小时，随炉冷却。
其中步骤(2)在球磨时加入适量塑化剂，获得具有一定的强度的多孔陶瓷结构，并不改变片状晶粒的形貌特征。所述的塑化剂为PVA，其加入量为陶瓷粉料重量的5～8wt.％。
本发明的片状晶粒与现有改性技术相比，避免了大量无机盐的浪费，晶粒形貌和大小更容易控制，并且制备方法简单、原料易得。该方法可作为铋层状陶瓷片状晶粒制备的普适方法，为制备高度取向的模板晶粒提供了一种新的思路。
本发明涉及一种片状钛酸铋(Bi4Ti3O12，以下简称BIT)晶粒的制备方法，属于织构化无铅压电陶瓷模板晶粒制备领域。本发明制备的模板晶粒为均匀良好的片状，轴向长度在10μm左右，厚度为0.5-1.0μm，具有较大的长径比和取向度，可用作模板晶粒。本发明提出的制备方法为以Bi2O3和TiO2为反应原料，充分混合后加入棉纤维等可烧蚀纤维，经过成型和烧结工艺，烧蚀掉棉纤维，并得到具有一定结构和强度的钛酸铋纯相陶瓷材料，该材料具有多孔特征，并且晶粒成均匀良好的片状形貌。本发明可用作织构化钛酸铋的模板晶粒，也可用作其他催化体系的载体。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1：
(1)钛酸铋粉体合成：根据Bi4Ti3O12化学式组成称量Bi2O3、TiO2粉体采用湿式球磨法混合，按照原料:球:水＝1:2:0.7的质量比混合24小时，使各组分混合均匀。烘干后，过40目筛，40MPa压块，在空气气氛下以2℃/min的升温速度升至800℃，保温2小时合成组成为Bi4Ti3O12的陶瓷粉体；
(2)将步骤(1)所得的陶瓷粉体捣碎，过40目筛，加入粉料重量的5wt.％PVA粘结剂，再用湿式球磨法精磨24小时，取料加入钛酸铋粉体质量20％的棉纤维后烘干，40MPa压块，2℃/min升温在700℃下排塑2h，得到具有一定强度的多孔陶瓷素坯。素坯的形貌如图2所示；
(3)将步骤(2)中的陶瓷素坯以3℃/min的升温速度升至800℃，2℃/min的升温速度升至1050℃保温2小时，随炉冷却得到陶瓷样品。其中片状晶粒清晰可见，如图1所示。
相同制备工艺下，未添加棉纤维制得的钛酸铋陶瓷结构较为致密，晶粒较大较厚，如图3所示。添加钛酸铋粉体质量5％的活性炭制得的钛酸铋陶瓷呈现除了多孔结构，但没有形成片状晶粒，如图4所示。因此适当尺寸的棉纤维加入是获得微米级片状钛酸铋晶粒的有效方法。

Claims (7)

1.一种钛酸铋陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述钛酸铋陶瓷材料中钛酸铋以片状钛酸铋晶粒的形式存在，所述制备方法包括：
1）先将钛酸铋陶瓷粉体预合成后粉碎，再在向其中加入可烧蚀纤维进行湿法球磨，烘干后压块，制备得到陶瓷素坯；
2）将陶瓷素坯在1000-1100℃下烧结去除棉纤维，得到以片状钛酸铋晶粒的形式存在的钛酸铋陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，片状钛酸铋晶粒的直径在5-15μm之间，厚度在0.5-1.0μm之间。
3. 根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，钛酸铋陶瓷粉体的制备方式包括：
根据钛酸铋的化学式，称取TiO2粉体和Bi2O3粉体，球磨混合后在750℃-850℃煅烧1-3小时，得到钛酸铋陶瓷粉体。
4. 根据权利要求1-4中任一所述的制备方法，其特征在于，所述可烧蚀纤维的用量为钛酸铋陶瓷粉体质量的5%—20%。
5. 根据权利要求1-5中任一所述的制备方法，其特征在于，将钛酸铋陶瓷粉体与塑化剂一起进行湿法球磨，所述塑化剂包括PVA，塑化剂的加入量为钛酸铋陶瓷粉体重量的5～8%。
6. 根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷素坯在烧结之间进行排塑处理，排塑处理的参数包括：以1-3℃/分钟的升温速率，升温至600-800℃，保温1-3小时。
7. 根据权利要求1-6中任一所述的制备方法，其特征在于，所述的烧结条件为以1-3℃/分钟的升温速度升至1000～1150℃，保温1.5～2.5小时。
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