CN105777117A - 一种钽酸锂基复合陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合陶瓷技术领域，特别涉及一种钽酸锂基复合陶瓷及其制备方法。将体积百分数为10‑50％的二氧化锰粉末和体积百分数为50‑90％的钽酸锂粉末混合并采用混合球磨的方式，球磨2‑36小时，形成均匀的混合粉料；将混合粉料置于模具中，18‑40℃、10‑30MPa冷压成型；将冷压成型的混合粉料放入烧结炉中无压烧结，烧结气氛为氮气或氧气，烧结温度为1000‑1500℃，烧结保温时间为1‑10小时，制得钽酸锂基复合陶瓷。本发明采用无压烧结的制备工艺，简单、成本低、烧结周期短、可大批量生产，且制备的复合陶瓷的无碳元素等污染、纯度高、致密度高、显微组织均匀。

Description

一种钽酸锂基复合陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明属于复合陶瓷技术领域，特别涉及一种钽酸锂基复合陶瓷及其制备方法。
背景技术
LiTaO3是目前研究较多、应用很普遍的压电、铁电和电光晶体，但目前对LiTaO3的报道主要集中在单晶方面，很少有关于其作为陶瓷材料的烧结工艺、微观结构等方面的研究报导。二十世纪八十年代，有人曾经做过LiTaO3铁电陶瓷烧结技术方面的研究，发现加入少量的氧化物或氟化物，有助于其烧结致密化，但所制备的LiTaO3基陶瓷复合材料的致密度很低，因为钽酸锂陶瓷在烧结致密化的同时伴随着明显的晶粒长大，导致在晶界处形成残余孔洞和微孔，使得陶瓷得致密度降低。因此，人们通过一些烧结添加剂的方法期望可烧结制备出致密的LiTaO3基陶瓷材料。在我们前期的工作中成功的制备出了添加氧化铝颗粒的LiTaO3基复合陶瓷。发现，少量Al2O3颗粒的加入能明显地促进LiTaO3压电陶瓷的烧结致密化，在1300℃热压烧结制备的Al2O3/LiTaO3陶瓷复合材料的致密度达99％以上，其抗弯强度、断裂韧性、弹性模量和维氏硬度等力学性能均得到显著改善。但热压烧结的过程中，石墨模具中的碳原子渗入LiTaO3陶瓷中，导致陶瓷中存在大量的游离碳原子存在，且热压烧结的成本高，不利于钽酸锂陶瓷在工程上得到实际应用。
无压烧结是一种常规的烧结方法，是目前最常用、最简单的一种烧结方式。它适用于不同形状、不同大小物件的烧制，温度便于控制而且成本低。在无压烧结条件下添加二氧化锰颗粒制备LiTaO3基复合陶瓷可以降低LiTaO3基复合陶瓷的烧结温度，使制备工艺简化，还可大大的降低成本，在工业上存在良好的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种钽酸锂基复合陶瓷，该陶瓷的致密度在90％以上，且制备的陶瓷无碳元素等污染、纯度高、显微组织均匀，可广泛适用于制作高温高稳定性的压电陶瓷器件。
本发明的另一个目的是提供这种钽酸锂基复合陶瓷的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
权利要求1所述的钽酸锂基复合陶瓷的制备方法，其步骤包括，
(1)将体积百分数为10-50％的二氧化锰粉末和体积百分数为50-90％的钽酸锂粉末混合并采用混合球磨的方式，球磨2-36小时，形成均匀的混合粉料；
(2)将步骤(1)中的混合粉料置于模具中，18-40℃、10-30MPa冷压成型；
(3)将冷压成型的混合粉料放入烧结炉中无压烧结，烧结气氛为氮气或氧气，烧结温度为1000-1500℃，烧结保温时间为1-10小时，制得钽酸锂基复合陶瓷。
所述步骤(1)中，二氧化锰粉末和钽酸锂粉末的体积比为1:4-9。优选的，所述二氧化锰粉末和钽酸锂粉末的体积比为1:5.66。该优选的二氧化锰粉末和钽酸锂粉末的体积比，可显著提高最终复合陶瓷的致密度和显微硬度。从图3和图4中可见，虽然A晶粒中的元素主要为Ta元素，但是也有少量的Mn元素存在，而B晶粒处虽然主要是Mn元素，但是也有少量的Ta元素存在，说明在烧结过程中两种物相中的元素有一定的固溶现象。Mn元素的固溶进入LiTaO3晶格中可以促进LiTaO3的烧结致密化进程，随MnO2体积分数的增加，元素的固溶程度提高，因此LiTaO3的烧结致密度提高，但MnO2体积分数继续增加，Mn元素的固溶程度有限，LiTaO3的烧结致密度又有降低的趋势。
所述步骤(1)中，钽酸锂粉末的粒径为50nm-3μm，纯度为99％以上，所述二氧化锰粉末的纯度为分析级纯。优选的，钽酸锂粉末的粒径为3μm，合适的钽酸锂粉末粒径，增大烧结时的比表面积，表面能增加，烧结驱动力增大，因此使得陶瓷的烧结致密度提高。
所述步骤(1)中，球磨速度为200-300转/分，球磨介质为玛瑙球，球磨时间为5小时。球磨速度、球磨介质和球磨决定了混合粉末的最终粒径，也决定了最终产品的质量。
所述步骤(2)中模具为不锈钢模具。
所述步骤(2)中混合粉料在模具中的冷压成型的压力为20MPa。本发明采用冷压成型，显著降低了成型压力，对设备的要求降低，只要简单轻便的压片机即可，对模具的要求低，一般的模具钢即可，这样大大降低了制作成本。
所述步骤(3)中，烧结温度为1200-1300℃，烧结保温时间为2-3小时。
通过上述制备方法可获得钽酸锂基复合陶瓷。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过添加二氧化锰颗粒辅助烧结钽酸锂基复合陶瓷的致密度为90％以上，显微硬度在500HV以上，可广泛适用于制作高温、高稳定性的压电陶瓷器件，工业应用前景广阔。
(2)本发明采用无压烧结的制备工艺，简单、成本低、烧结周期短、可大批量生产，且制备的复合陶瓷的无碳元素等污染、纯度高、致密度高、显微组织均匀。
附图说明
图1是实施例1中制备的钽酸锂基复合陶瓷XRD分析结果图。
图2是实施例1中制备的钽酸锂基复合陶瓷的显微结构形貌。
图3是实施例1中制备的钽酸锂基复合陶瓷的能谱分析结果(即图2中A区域)。
图4实施例1中制备的钽酸锂基复合陶瓷的能谱分析结果(即图2中B区域)。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步说明：
实施例1
(1)、取分析纯级的二氧化锰粉末和粒径为3μm和纯度为99％以上的钽酸锂粉末，二氧化锰粉末和钽酸锂粉末的体积比为1:9；
(2)、将二氧化锰粉末与钽酸锂粉末放于塑料筒中或钢筒中，采用混合球磨方式，球磨速率为200-300转/分，球磨介质为玛瑙球，混合时间为5小时，将其球磨混合成均匀的粉料；
(3)、将步骤(2)中混合均匀的二氧化锰粉末与钽酸锂粉末置于不锈钢模具中,压片成1-3mm厚的试样，在室温下以20MPa冷压成型后，然后放在烧结炉内无压烧结，烧结气氛为氮气或氧气，烧结温度为1300℃，烧结保温时间为3小时制得钽酸锂基复合陶瓷。
本实施方式所制得的复合陶瓷的致密度为90％。钽酸锂基复合陶瓷的XRD分析结果如图1所示，钽酸锂基复合陶瓷微观形貌如图2所示，图3和图4分别显示了复合陶瓷中两种不同形貌物相(即图2中A和B区域)的能谱分析结果。复合陶瓷的显微硬度为516HV。
实施例2
(1)、取分析纯级的二氧化锰粉末和粒径为3μm和纯度为99％以上的钽酸锂粉末，二氧化锰粉末和钽酸锂粉末的体积比为1:4；
(2)、将二氧化锰粉末与钽酸锂粉末放于塑料筒中或钢筒中，采用混合球磨方式，球磨速率为200-300转/分，球磨介质为玛瑙球，混合时间为5小时，将其球磨混合成均匀的粉料；
(3)、将步骤(2)中混合均匀的二氧化锰粉末与钽酸锂粉末置于不锈钢模具中，压片成1-3mm厚的试样，在室温下以20MPa冷压成型后，然后放在烧结炉内无压烧结，烧结气氛为氮气或氧气，烧结温度为1200℃，烧结保温时间为2小时制得钽酸锂基复合陶瓷。
本实施方式所制得的复合陶瓷的致密度为90％，复合陶瓷的显微硬度为500HV。
实施例3
(1)、取分析纯级的二氧化锰粉末和粒径为3μm和纯度为99％以上的钽酸锂粉末，二氧化锰粉末和钽酸锂粉末的体积比为1:5.66；
(2)、将二氧化锰粉末与钽酸锂粉末放于塑料筒中或钢筒中，采用混合球磨方式，球磨速率为200-300转/分，球磨介质为玛瑙球，混合时间为5小时，将其球磨混合成均匀的粉料；
(3)、将步骤(2)中混合均匀的二氧化锰粉末与钽酸锂粉末置于不锈钢模具中，压片成1-3mm厚的试样，在室温下以20MPa冷压成型后，然后放在烧结炉内无压烧结，烧结气氛为氮气或氧气，烧结温度为1300℃，烧结保温时间为3小时制得钽酸锂基复合陶瓷。
本实施方式所制得的复合陶瓷的致密度为94％，复合陶瓷的显微硬度为615HV。
上述实施例中制备获得的复合陶瓷的致密度和显微硬度都非常优异，尤其是实施例3中，二氧化锰粉末与钽酸锂粉末按照体积比为1:6添加后，其致密度达到94％，显微硬度达到615HV，其致密度和硬度性能显著提高。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1.权利要求1所述的钽酸锂基复合陶瓷的制备方法，其步骤包括，
(1)将体积百分数为10-50％的二氧化锰粉末和体积百分数为50-90％的钽酸锂粉末混合并采用混合球磨的方式，球磨2-36小时，形成均匀的混合粉料；
(2)将步骤(1)中的混合粉料置于模具中，18-40℃、10-30MPa冷压成型；
(3)将冷压成型的混合粉料放入烧结炉中无压烧结，烧结气氛为氮气或氧气，烧结温度为1000-1500℃，烧结保温时间为1-10小时，制得钽酸锂基复合陶瓷。
2.根据权利要求1所述的钽酸锂基复合陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，二氧化锰粉末和钽酸锂粉末的体积比为1:4-9。
3.根据权利要求1所述的钽酸锂基复合陶瓷的制备方法的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，钽酸锂粉末的粒径为50nm-3μm，纯度为99％以上，所述二氧化锰粉末的纯度为分析纯级。
4.根据权利要求1所述的钽酸锂基复合陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，球磨速度为200-300转/分，球磨介质为玛瑙球，球磨时间为5小时。
5.根据权利要求1所述的钽酸锂基复合陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中模具为不锈钢模具。
6.根据权利要求1所述的钽酸锂基复合陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中混合粉料在模具中的冷压成型的压力为20MPa。
7.根据权利要求1所述的钽酸锂基复合陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，烧结温度为1200-1300℃，烧结保温时间为2-3小时。
8.一种钽酸锂基复合陶瓷，其特征在于通过权利要求1-7中任意一项制备方法制备而得。
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