[发明专利]一种纳米反应器引入纳米烧结助剂常压低温烧结制备铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的方法

说明书

技术领域

本发明属于无铅压电陶瓷领域，特别涉及一种纳米反应器引入纳米烧结助剂常压低温烧结制备铌酸钾钠(NKN)基无铅压电陶瓷的方法。

背景技术

压电陶瓷在信息、激光、生物等诸多高科技领域有着广泛应用。目前商业化应用主要集中在锆钛酸铅(PbZrO₃-PbTiO₃，PZT)基多元系含铅压电陶瓷，PZT陶瓷中氧化铅的含量超过原料总量的70％。随着环境保护和可持续发展理念的深入人心，开发环境友好型无铅压电陶瓷成为一项紧迫而具有重要科学意义的课题。

无铅压电陶瓷主要研究(Na,K)NbO₃，(Bi,Na)TiO₃和BaTiO₃体系。其中NaNbO₃-KNbO₃(NKN)体系和PZT体系相似，当Na:K的摩尔比接近于1:1时，形成类似于PZT体系的准同型相界，呈现较好的压电性能，适合在换能器等功能器件上应用。对于NKN基无铅压电陶瓷来说，致密度是决定压电性能的关键因素，而烧结温度是固相反应法制备NKN基无铅压电陶瓷的技术关键。

但是，碱金属离子Na、K容易挥发，通过传统的陶瓷工艺(常压烧结)很难制备高致密度的NKN陶瓷，因此，需要采用热压烧结、放电等离子体烧结、热等静压烧结等高成本技术才能得到高致密度的NKN陶瓷。

放电等离子体烧结等高成本技术工艺复杂，对设备要求很高，难以获得工业化应用。为了通过传统的陶瓷工艺制备高致密度的NKN基无铅压电陶瓷，各国学者通过添加烧结助剂、添加“第二组元”等制备NKN基无铅压电陶瓷，例如通过共掺杂LiSbO₃、LiTaO₃，在空气气氛中、1040℃烧结制备了具有较高密度和良好电学性能的NKN无铅压电陶瓷。然而，该工艺中烧结温度依然居高不下。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中传统的固相反应法制备多组分陶瓷时组分难以混合均匀，通过添加烧结助剂、添加“第二组元”等常压制备NKN基无铅压电陶瓷烧结温度仍然偏高的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种纳米反应器引入纳米烧结助剂常压低温制备铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的方法，该方法通过乳液聚合纳米反应器在NKN粉体表面均匀包覆纳米烧结助剂(团块)Li(Sb_1-xTa_x)O₃(LSTO)，LSTO兼具烧结助剂和“第二组元”的作用，实现常压低温烧结制备NKN基无铅压电陶瓷，

本发明通过乳液聚合提高多组分混合的均匀性，均匀包覆的纳米团块LSTO兼具烧结助剂和“第二组元”的作用，实现在空气气氛中、NKN基无铅压电陶瓷的常压烧结致密化；纳米团块LSTO引入了液相烧结机制，实现了低温烧结，克服了碱金属元素在高温下的挥发，从而低温烧结制备具有较高的致密度和良好的电学性能的NKN基陶瓷。

上述制备方法的具体步骤为：

(1)通过传统的固相反应法制备NKN，所得NKN用高能纳米冲击磨研磨成亚微米级前驱体；

(2)通过水热法制备纳米团块LSTO的悬浮液，

其中，纳米团块LSTO的悬浮液的制备方法为，

按照化学式Li(Sb_1-xTa_x)O₃中的元素计量比称量LiNO₃、Sb₂O₅、Ta₂O₅放入水热釜中配制成水溶液，其中x＝0.48-0.52，填充率小于75％，加入LiOH使其浓度达到6M，再加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵CTAB，在120℃水热反应36h，得到纳米团块LSTO的悬浮液；

(3)通过乳液聚合纳米反应器将步骤(2)中得到的纳米团块LSTO均匀包覆在步骤(1)中得到的亚微米级NKN粉体表面，

其中，将纳米团块LSTO均匀包覆在亚微米级NKN粉体表面的操作为：

A、将LiOH、丙烯酰胺PAM、LiCl加入到蒸馏水中，磁力搅拌溶解完全，配制成水相溶液，

B、将司本-80加入到环己烷中，磁力搅拌溶解完全，配制成油相溶液，

C、将步骤A中得到的水相溶液和步骤B中得到的油相溶液混合，超声粉碎后高能搅拌，得到乳液纳米反应器，