一種納米反應器引入納米燒結助劑常壓低溫燒結制備鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于無鉛壓電陶瓷領域，特別涉及一種納米反應器引入納米燒結助劑常壓低溫燒結制備鈮酸鉀鈉(NKN)基無鉛壓電陶瓷的方法。
【背景技術】
[0002]壓電陶瓷在信息、激光、生物等諸多高科技領域有著廣泛應用。目前商業化應用主要集中在鋯鈦酸鉛(PbZr03_PbTi03，PZT)基多元系含鉛壓電陶瓷，PZT陶瓷中氧化鉛的含量超過原料總量的70%。隨著環境保護和可持續發展理念的深入人心，開發環境友好型無鉛壓電陶瓷成為一項緊迫而具有重要科學意義的課題。
[0003]無鉛壓電陶瓷主要研究(Na，K)Nb03，(Bi, Na)Ti03和BaT1 3體系。其中NaNb03-KNb03 (NKN)體系和PZT體系相似，當Na:K的摩爾比接近于1:1時，形成類似于PZT體系的準同型相界，呈現較好的壓電性能，適合在換能器等功能器件上應用。對于NKN基無鉛壓電陶瓷來說，致密度是決定壓電性能的關鍵因素，而燒結溫度是固相反應法制備NKN基無鉛壓電陶瓷的技術關鍵。
[0004]但是，堿金屬離子Na、K容易揮發，通過傳統的陶瓷工藝(常壓燒結)很難制備高致密度的NKN陶瓷，因此，需要采用熱壓燒結、放電等離子體燒結、熱等靜壓燒結等高成本技術才能得到高致密度的NKN陶瓷。
[0005]放電等離子體燒結等高成本技術工藝復雜，對設備要求很高，難以獲得工業化應用。為了通過傳統的陶瓷工藝制備高致密度的NKN基無鉛壓電陶瓷，各國學者通過添加燒結助劑、添加“第二組元”等制備NKN基無鉛壓電陶瓷，例如通過共摻雜LiSb03、LiTa03，在空氣氣氛中、1040°C燒結制備了具有較高密度和良好電學性能的NKN無鉛壓電陶瓷。然而，該工藝中燒結溫度依然居高不下。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題是:克服現有技術中傳統的固相反應法制備多組分陶瓷時組分難以混合均勾，通過添加燒結助劑、添加“第二組元”等常壓制備NKN基無鉛壓電陶瓷燒結溫度仍然偏高的不足。
[0007]為解決上述技術問題，本發明提供了一種納米反應器引入納米燒結助劑常壓低溫制備鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的方法，該方法通過乳液聚合納米反應器在NKN粉體表面均勻包覆納米燒結助劑(團塊)Li (Sbi xTax) 03 (LSTO)，LST0兼具燒結助劑和“第二組元”的作用，實現常壓低溫燒結制備NKN基無鉛壓電陶瓷，
[0008]本發明通過乳液聚合提高多組分混合的均勻性，均勻包覆的納米團塊LST0兼具燒結助劑和“第二組元”的作用，實現在空氣氣氛中、NKN基無鉛壓電陶瓷的常壓燒結致密化；納米團塊LST0引入了液相燒結機制，實現了低溫燒結，克服了堿金屬元素在高溫下的揮發，從而低溫燒結制備具有較高的致密度和良好的電學性能的NKN基陶瓷。
[0009]上述制備方法的具體步驟為:
[0010](1)通過傳統的固相反應法制備NKN，所得NKN用高能納米沖擊磨研磨成亞微米級前驅體；
[0011 ] (2)通過水熱法制備納米團塊LST0的懸浮液，
[0012]其中，納米團塊LST0的懸浮液的制備方法為，
[0013]按照化學式Li (Sbi xTax)03中的元素計量比稱量LiN03、Sb205、Ta205放入水熱釜中配制成水溶液，其中X = 0.48-0.52，填充率小于75%，加入L1H使其濃度達到6M，再加入表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨CTAB，在120°C水熱反應36h，得到納米團塊LST0的懸浮液；
[0014](3)通過乳液聚合納米反應器將步驟⑵中得到的納米團塊LST0均勻包覆在步驟
(1)中得到的亞微米級NKN粉體表面，
[0015]其中，將納米團塊LST0均勻包覆在亞微米級NKN粉體表面的操作為:
[0016]A、將L1H、丙烯酰胺PAM、LiCl加入到蒸餾水中，磁力攪拌溶解完全，配制成水相溶液，
[0017]B、將司本-80加入到環己烷中，磁力攪拌溶解完全，配制成油相溶液，
[0018]C、將步驟A中得到的水相溶液和步驟B中得到的油相溶液混合，超聲粉碎后高能攪拌，得到乳液納米反應器，
[0019]D、將步驟(1)中得到的亞微米級NKN前驅體、步驟⑵得到的納米團塊LST0懸浮液加入到步驟C中得到的乳液納米反應器中，磁力攪拌混合均勻并超聲粉碎后，加入引發劑偶氮二異丁腈AIBM，通氮氣30分鐘后，水浴加熱65?75°C、反應5h，得到乳液聚合納米團塊LST0包覆的NKN ；
[0020](4)將步驟(3)中得到的納米團塊LST0包覆的NKN粉體經400°C煅燒后，添加聚乙烯醇(PVA)造粒、壓片，并在空氣氣氛中，常壓低溫燒結(900?950°C燒結6?12h)制備
NKN基陶瓷。
[0021]本發明的有益效果在于:1)乳液聚合納米反應器促進了多組分的均勻混合，克服了傳統的固相反應法制備多組分陶瓷時組分難以混合均勻的不足；2)納米團塊LST0均勻包覆在NKN粉體表面，兼具燒結助劑和“第二組元”的作用，能夠在空氣氣氛中、常壓低溫燒結制備高密度的NKN基無鉛壓電陶瓷。
【附圖說明】
[0022]圖1為實施例1中水熱法制備的納米團塊Li (Sb0.5Ta0.5) 03 (LST0)的XRD圖；
[0023]圖2為實施例1中水熱法制備的納米團塊Li (Sb0.5Ta0.5) 03 (LST0)的SEM圖；
[0024]圖3為實施例1-3中，不同溫度燒結的NKN基陶瓷的XRD圖；
[0025]圖4為實施例1中925°C燒結的NKN陶瓷的P_E電滯回線。
【具體實施方式】
[0026]實施例1
[0027](1)通過傳統的固相反應法制備(Na。.5K0.5) Nb03 (NKN)，按計量比均勻混合Na2C03(>99.8% )、K2C03(>99.0% )、Nb205 (>99.5% )后壓片，875°C煅燒 12h，得到 NKN ;將制備的NKN粉碎后加入高能納米沖擊磨罐內，以2mm、5mm、10mm的Zr02球作為研磨介質，料球質量比為1:3，2mm、5mm、10mm的Zr02球質量比為5:2:1，以400次/min沖擊磨8h，得到亞微米NKN前驅體；
[0028](2)通過水熱法制備納米團塊Li (Sb0.5Ta0.5)03(LST0)，具體步驟為:稱量計量比的LiN03、Sb205、Ta205放入水熱釜中配制成水溶液(濃度小于目標產物2g/75ml)，填充率小于75%，加入L1H使其濃度達到6M，加入LST0質量2.5wt%的十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，在120°C水熱反應36h，自然冷卻，得到納米團塊LST0的懸浮液；
[0029](3)通過乳液聚合納米反應器將納米團塊LST0均勻包覆在NKN粉體表面，具體步驟為:稱量L1H、丙烯酰胺(PAM)、LiCl加入蒸餾水中(L1H、PAM、LiCl、蒸餾水的質量比為0.5:2:4:100)，磁力攪拌溶解完全，配制成水相溶液；稱量司本-80加入環己烷中(司本-80與環己烷的質量比為5:100)，磁力攪拌溶解完全，配制成油相溶液，將水相溶液和油相溶液按照質量比1:2混合，超聲粉碎后高能攪拌，得到乳液納米反應器，
[0030]將步驟(1)中得到的亞微米NKN前驅體、步驟⑵中得到的納米團塊LST0的懸浮液加入上述乳液納米反應器中，控制LST0物質的量為NKN的2.5mol%, NKN和LST0的質量和為上述乳液質量的10?丨％;磁力攪拌混合均勻后超聲粉碎，加入偶氮二異丁腈(AIBM)作為引發劑(AIBM與上述乳液的質量比為0.15:100)，通氮氣30分鐘后，水浴加熱至70°C、反應5h，得到乳液聚合納米團塊LST0包覆的NKN ;
[0031](4)將步驟⑶中得到的納米團塊LST0包覆的NKN經400°C煅燒2h后，添加包覆粉體總質量2.5wt%的聚乙烯醇