[发明专利]一种厚度和径向尺寸可控的织构陶瓷铌酸盐模板材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制备厚度和径向尺寸可控的织构型陶瓷铌酸盐模板材料及其制备方法，该模板材料的化学式为NaNbO₃，该模板能用作模板晶粒生长法(TGG)和反应模板晶粒生长法(RTGG)制备织构陶瓷所需的模板。

背景技术

随着环境友好型功能陶瓷材料的发展，铅基电子陶瓷材料越来越受到限制。锆钛酸铅陶瓷材料是目前应用最为广泛的一类压电陶瓷材料，由于其氧化铅的比重占到总质量的70％，因此开发能够替代这类压电材料的新型无铅陶瓷材料受到广泛重视。[001]取向的K_0.5nNa_0.5NbO₃(KNN)基的碱金属铌酸盐单晶材料由于具有优越的压电性能，目前被认为是具有发展前景的无铅压电陶瓷材料之一。由于单晶的价格昂贵、制备工艺苛刻并且难以加工成复杂的形状，织构型多晶碱金属铌酸盐陶瓷材料制备具有更大实际应用价值。织构陶瓷最主要的特点便是在极化之前有了一定的取向性，因此极化效果会更佳，从而性能也大大优于传统多晶陶瓷材料，因此，制备织构型无铅化功能陶瓷材料具有重要意义。

织构材料的制备方法比较多，有模板晶粒生长法(TGG)、反应模板晶粒生长法(RTGG)、种子多晶转变法(SPC)、磁场诱导定向法以及定向凝固法等，其中模板晶粒生长法、反应模板晶粒生长法是两种不需要昂贵复杂设备、工艺相对比较简单和材料的织构效果较好的方法。在模板晶粒生长法和反应模板晶粒生长法中，能否制备出性能良好的模板是能否制备性能良好的织构材料的关键因素之一。一般来说，合适的模板的特征有：

1、和母体材料具有相似的晶体结构和晶胞参数；

2、模板厚度和形貌尺寸大小可控：径向尺寸控制范围为：5μm～20μm，厚度控制范围为：0.5μm～4μm；

3、具有热力学稳定性。

[001]取向的铌酸钠的模板制备是制备铌酸盐织构型无铅压电陶瓷材料的一类关键模板材料。在以往制备过程中，对该类材料厚度和尺寸的控制必须通过温度的改变来获得，然而这类方法控制的范围有限，发展一类如何通过温度及保温时间对铌酸钠的模板层状厚度和尺寸大小进行控制的方法意义重大。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备厚度和径向尺寸可控的片状结构的铌酸钠材料，并提供该材料的制备方法，该材料适合用作制备织构型铌酸盐陶瓷的模板材料。

本发明以下述技术方案实现：

一种用于制备织构型陶瓷的铌酸盐模板材料，其特征是，该材料的化学组成为NaNbO₃，具有规则的片状结构形貌，在(001)晶面族方向择优生长，模板材料的厚度和径向尺寸可以由反应物的配比来控制，径向尺寸控制范围为5μm～20μm，厚度控制范围为：0.5μm～4μm。

该铌酸钠模板材料适合于模板晶粒生长法和反应模板晶粒生长法制备织构材料。

该模板材料的制备方法采用熔盐法，包括前躯体材料制备和用于制备织构型陶瓷的铌酸盐模板材料制备两部分，其制备步骤如下：

步骤1：合成层状不同的Bi_2.5Na_x-1.5Nb_xO_3x+3，X＝2～9的片状前躯体材料，方法为：

(1)配料：以纯度大于99％的Bi₂O₃、Na₂CO₃以及Nb₂O₅为起始原料，按照Bi₂O₃∶Na₂CO₃∶Nb₂O₅＝5∶1～15∶4～18的摩尔比配料，配好的物料在球磨机中球磨12小时，球磨的助磨剂为无水乙醇；在球磨之后的物料中加入助熔剂NaCl，助熔剂的质量与起始原料总质量比为1∶1，然后再混合球磨12小时以后在70℃～80℃下空气中烘干；

(2)热处理：将第二次烘干后的物料在1050℃-1150℃下热处理3-6个小时，热处理气氛为有氧气氛，前驱体层数和热处理工艺制度如表1；

表1