铌酸钠钾钛酸铋钠纳米陶瓷的制备方法.pdf

本发明公开了一种铌酸钠钾-钛酸铋钠纳米陶瓷的制备方法，将分析纯级五氧化二铌、碳酸钠、碳酸钾、二氧化钛、三氧化二铋，化学计量比为(1-x)[(Na0.5Bi0.5)NbO3]-x[(Bi0.5Na0.5)TiO3]，其中：0.005＜x＜0.9配料，经过高能球磨混料、预烧、冷等静压成型、高温烧结、打磨抛光以及溅射金电极工序，最终制备铌酸钠钾-钛酸铋钠纳米陶瓷。由于对铌酸钠钾-钛酸铋钠固溶体体系进行高能球磨和无压烧结，制备出了纳米级的铌酸钠钾-钛酸铋钠纳米陶瓷，陶瓷的晶粒尺寸由现有技术的1～5微米减小到88～93纳米。

1、  一种铌酸钠钾-钛酸铋钠纳米陶瓷的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)将分析纯级五氧化二铌、碳酸钠、碳酸钾、二氧化钛、三氧化二铋，按化学计量比为(1-x)[(Na_0.5Bi_0.5)NbO₃]-x[(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃]配料，其中，0.005＜x＜0.9；
(b)将配好的料和钢球放入高能球磨机中，所加粉体质量为钢球质量的5～45％；原料在高能球磨机中球磨1～16个小时，转速为150～550转/分钟，不加入任何球磨介质；
(c)将经步骤(b)球磨的料在800～1000℃温度下煅烧1～3小时；
(d)取出煅烧的料打碎，再高能球磨1～3小时后；
(e)再球磨后的料粉放入直径5～15mm的金属模具中用压力机压制成型，压力为50～150MPa，成型的坯体装入真空袋中，抽完真空，放入压力机中，加压到300～650MPa，保持压力3～10分钟，制成陶瓷素坯；
(f)将陶瓷素坯放入烧结炉中，在900～1200℃温度下烧结2～4小时。

铌酸钠钾-钛酸铋钠纳米陶瓷的制备方法
技术领域
本发明涉及一种铌酸钠钾-钛酸铋钠陶瓷的制备方法，特别是铌酸钠钾-钛酸铋钠纳米陶瓷的制备方法。
背景技术
文献“Ruzhong Zuo，Xusheng Fang，and Chun Ye，Phase structures and electrical properties ofnew lead-free Na_0.5K_0.5NbO₃-Bi_0.5Na_0.5TiO₃ceramics，APPLIED PHYSICS LETTERS 90，092904(2007)”公开了一种铌酸钠钾-钛酸铋钠陶瓷的制备方法，该方法采用传统的制粉方法结合无压烧结方式制备铌酸钠钾-钛酸铋钠陶瓷，采用的普通的轻球氧化铝球、氧化锆球和玛瑙球球磨原料，在制备粉体初期，就很难使原始粉体达到纳米级。在随后的烧结中，晶粒的进一步长大，使得陶瓷的晶粒尺寸大约在1～5微米之间，难以获得致密的纳米陶瓷。
发明内容
为了克服现有技术所制备的铌酸钠钾-钛酸铋钠陶瓷晶粒尺寸大的不足，本发明提供一种铌酸钠钾-钛酸铋钠纳米陶瓷的制备方法，对铌酸钠钾-钛酸铋钠固溶体体系进行高能球磨和无压烧结，可以制备100纳米以下的铌酸钠钾-钛酸铋钠纳米陶瓷。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种铌酸钠钾-钛酸铋钠纳米陶瓷的制备方法，其特点是包括下述步骤：
一种铌酸钠钾-钛酸铋钠纳米陶瓷的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)将分析纯级五氧化二铌、碳酸钠、碳酸钾、二氧化钛、三氧化二铋，按化学计量比为(1-x)[(Na_0.5Bi_0.5)NbO₃]-x[(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃]配料，其中，0.005＜x＜0.9；
(b)将配好的料和钢球放入高能球磨机中，所加粉体质量为钢球质量的5～45％；原料在高能球磨机中球磨4～16个小时，转速为150～550转/分钟，不加入任何球磨介质；
(c)将经步骤(b)球磨的料在800～1000℃温度下煅烧1～3小时；
(d)取出煅烧的料打碎，再高能球磨1～3小时；
(e)再球磨后的料粉放入直径5～15mm的金属模具中用压力机压制成型，压力为50～150MPa，成型的坯体装入真空袋中，抽完真空，放入压力机中，加压到300～650MPa，保持压力3～10分钟，制成陶瓷素坯；
(f)将陶瓷素坯放入烧结炉中，在900～1200℃温度下烧结2～4小时。
本发明的有益效果是：由于对铌酸钠钾-钛酸铋钠固溶体体系进行高能球磨和无压烧结，制备出了纳米级的铌酸钠钾-钛酸铋钠纳米陶瓷，陶瓷的晶粒尺寸由现有技术的1～5微米减小到88～93纳米。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例1所制备铌酸钠钾-钛酸铋钠纳米陶瓷的显微形貌照片。
图2是本发明实施例2所制备铌酸钠钾-钛酸铋钠纳米陶瓷的显微形貌照片。
具体实施方式
实施例1，以分析纯级五氧化二铌、碳酸钠、碳酸钾、二氧化钛、三氧化二铋粉体为原料，120℃烘干24小时以后，按照化学式0.94Na_0.5K_0.5NbO₃-0.06Bi_0.5Na_0.5TiO₃配比、称量原料粉体。所得粉体不经过任何的特殊处理，直接放入加有钢球的高能球磨机中，所加粉体质量为钢球质量的5％，进行机械合金化球磨，不添加任何球磨介质，球磨时间为8小时，转速为550转/分钟；磨完后的粉体在850℃下煅烧1小时，使得各原料粉体充分反应；取出煅烧的料打碎，再高能球磨1小时，再球磨后的铌酸盐料粉放入直径10mm的金属模具中用压力机压制成型，压力为100MPa。为了提高坯体质量，把预压的坯体装入真空袋中，抽完真空，放进油压机中，压力为650MPa，保持压力3分钟，制成陶瓷素坯。然后将坯体在1090℃下进行烧结4小时，以获得致密度较高的压电陶瓷。烧结以后的压电陶瓷，经过打磨抛光等工序，在低于烧结温度100K的温度下，热腐蚀半个小时。用扫描电子显微镜JEM-6460LV，观察压电陶瓷的微观组织形貌(见图1)。使用截距法计算晶粒尺寸，得到其晶粒尺寸为91纳米。
实施例2，以分析纯级五氧化二铌、碳酸钠、碳酸钾、二氧化钛、三氧化二铋粉体为原料，120℃烘干24小时以后，按照化学式0.80Na_0.5K_0.5NbO₃-0.20Bi_0.5Na_0.5TiO₃配比、称量各种原料粉体。所得粉体不经过任何的特殊处理，直接放入加有钢球的高能球磨机中，所加粉体质量为钢球质量的25％，进行机械合金化球磨，不添加任何球磨介质，球磨时间为4小时，转速为450转/分钟；磨完后的粉体在800℃下煅烧3小时，使得各原料粉体充分反应；取出煅烧的料打碎，再高能球磨2小时，再球磨后的铌酸盐料粉放入直径5mm的金属模具中用压力机压制成型，压力为100MPa。为了提高坯体质量，把预压的坯体装入真空袋中，抽完真空，放进油压机中，压力为550MPa，保持压力5分钟，制成陶瓷素坯。然后将坯体在1090℃下进行烧结4小时，以获得致密度较高的压电陶瓷。烧结以后的压电陶瓷，经过打磨抛光等工序，在低于烧结温度100K的温度下，热腐蚀半个小时。用扫描电子显微镜JEM-6460LV，观察压电陶瓷的微观组织形貌(见图2)。使用截距法计算晶粒尺寸，得到其晶粒尺寸为88纳米。
实施例3，以分析纯级五氧化二铌、碳酸钠、碳酸钾、二氧化钛、三氧化二铋粉体为原料，120℃烘干24小时以后，按照化学式0.90Na_0.5K_0.5NbO₃-0.10Bi_0.5Na_0.5TiO₃配比、称量各种原料粉体。所得粉体不经过任何的特殊处理，直接放入加有钢球的高能球磨机中，所加粉体质量为钢球质量的35％，进行机械合金化球磨，不添加任何球磨介质，球磨时间为12小时，转速为350转/分钟；磨完后的粉体在900℃下煅烧2小时，使得各原料粉体充分反应；取出煅烧的料打碎，再高能球磨2小时，再球磨后的铌酸盐料粉放入直径15mm的金属模具中用压力机压制成型，压力为50MPa。为了提高坯体质量，把预压的坯体装入真空袋中，抽完真空，放进油压机中，压力为450MPa，保持压力8分钟，制成陶瓷素坯。然后将坯体在900℃下进行烧结2小时，以获得致密度较高的压电陶瓷压电陶瓷。烧结以后的压电陶瓷，经过打磨抛光等工序，在低于烧结温度100K的温度下，热腐蚀半个小时。用扫描电子显微镜JEM-6460LV，观察压电陶瓷的微观组织形貌，使用截距法计算晶粒尺寸，得到其晶粒尺寸为93纳米。
实施例4，以分析纯级五氧化二铌、碳酸钠、碳酸钾、二氧化钛、三氧化二铋为原料，120℃烘干24小时以后，按照化学式0.50Na_0.5K_0.5NbO₃-0.50Bi_0.5Na_0.5TiO₃配比、称量各种原料粉体。所得粉体不经过任何的特殊处理，直接放入加有钢球的高能球磨机中，所加粉体质量为钢球质量的45％，进行机械合金化球磨，不添加任何球磨介质，球磨时间为16小时，转速为150转/分钟；磨完后的粉体在1000℃下煅烧2.5小时，使得各原料粉体充分反应；取出煅烧的料打碎，再高能球磨3小时，再球磨后的铌酸盐料粉放入直径15mm的金属模具中用压力机压制成型，压力为150MPa。为了提高坯体质量，把预压的坯体装入真空袋中，抽完真空，放进油压机中，压力为300MPa，保持压力10分钟，制成陶瓷素坯。然后将坯体在1200℃下进行烧结4小时，以获得致密度较高的压电陶瓷压电陶瓷。烧结以后的压电陶瓷，经过打磨抛光等工序，在低于烧结温度100K的温度下，热腐蚀半个小时。用扫描电子显微镜JEM-6460LV，观察压电陶瓷的微观组织形貌，使用截距法计算晶粒尺寸，得到其晶粒尺寸为89纳米。
本发明按照以下步骤，经过多次实验，均制备出了100纳米以下的铌酸钠钾-钛酸铋钠纳米陶瓷。将分析纯级五氧化二铌、碳酸钠、碳酸钾、二氧化钛、三氧化二铋，按化学计量比为(1-x)[(Na_0.5Bi_0.5)NbO₃]-x[(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃]配料，其中，0.005＜x＜0.9。将配好的料和钢球放入高能球磨机中，所加粉体质量为钢球质量的5～45％。原料在高能球磨机中球磨4～16个小时，转速为150～550转/分钟，不加入任何球磨介质。将球磨过的料在800～1000℃温度下煅烧1～3小时。取出煅烧的料打碎，再高能球磨1～3小时。再球磨后的料粉放入直径5～15mm的金属模具中用压力机压制成型，压力为50～150MPa，成型的坯体装入真空袋中，抽完真空，放入压力机中，加压到300～650MPa，保持压力3～10分钟，制成陶瓷素坯。将陶瓷素坯放入烧结炉中，在900～1200℃温度下烧结2～4小时，制成纳米级的铌酸钠钾-钛酸铋钠纳米陶瓷。