本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種制備鈦酸鹽壓電陶瓷粉體的環(huán)境協(xié)調(diào)型方法，乳酸為螯合劑、膨化劑、造孔劑，采用水基溶膠-凝膠法，在常溫下配制溶膠，溶膠調(diào)pH后，在80℃~160℃下真空濃縮或者常壓除溶劑后得凝膠，凝膠在180℃~200℃下經(jīng)過獨(dú)特的膨化工藝和自燃途徑后獲得納米自燃物，自燃物在550℃~600℃下預(yù)燒后得納米粉體；取上述粉體，經(jīng)過造粒、壓片、排塑工序后，生坯片在超低溫950℃~1025℃條件下1~2小時(shí)完成燒結(jié)得陶瓷片，在常溫硅油中極化，靜置后即獲得鈦酸鹽壓電陶瓷成品。本發(fā)明專利技術(shù)對當(dāng)今壓電陶瓷的生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量，低耗能低成本及環(huán)境友好化的轉(zhuǎn)型具有重要的實(shí)用價(jià)值，同時(shí)對于追求無團(tuán)聚且具有超大比表面積的鈦酸鹽化合物應(yīng)用領(lǐng)域有著重大的革新作用。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種鈦酸鹽壓電陶瓷粉體的制備技術(shù)，尤其涉及一種水基溶膠-凝膠法制備鈦酸鹽化合物無團(tuán)聚納米粉體的技術(shù)。屬于功能材料及采用綠色化環(huán)境協(xié)調(diào)型技術(shù)生產(chǎn)納米粉體的領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
從鈦酸鹽壓電陶瓷材料發(fā)現(xiàn)到至今，工業(yè)生產(chǎn)一直采用傳統(tǒng)的固相合成法，但是其工藝有難以克服的弊端組份難以均一，球磨亦引入雜質(zhì)且設(shè)備損壞率較高，粗糙的微米級顆粒，850°C、00°C的粉體預(yù)燒溫度，IlOO0C 1300°C高溫陶瓷燒結(jié)，并且都需要2飛小時(shí)的長時(shí)間保溫，對設(shè)備的硬性指標(biāo)要求較高，耗能耗時(shí)，同時(shí)高溫?zé)Y(jié)導(dǎo)致金屬離子的嚴(yán)重?fù)]發(fā)引起的計(jì)量不準(zhǔn)確等都嚴(yán)重制約著成品壓電陶瓷的質(zhì)量和性能，雖然研究者對各類體系的壓電陶瓷都進(jìn)行改性和復(fù)合，但是生產(chǎn)技術(shù)層次的落后決定著產(chǎn)品指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè) 計(jì)要求，所以尋求一種能夠克服傳統(tǒng)工藝的種種弊端的新制備技術(shù)，成為該領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。溶膠-凝膠法制備壓電陶瓷技術(shù)就是熱點(diǎn)之一，其作為一種研究較早的技術(shù)，具備工藝簡單，計(jì)量準(zhǔn)確，組份均一，低溫?zé)Y(jié)(1050°C 1140°C，2^3小時(shí))，可制備出納米粉體，產(chǎn)品性能良好等優(yōu)點(diǎn)，使其成為研究的一大熱點(diǎn)，極具潛力實(shí)用化，實(shí)現(xiàn)全球壓電陶瓷生產(chǎn)技術(shù)的工業(yè)化轉(zhuǎn)型。但是幾十年來，傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法一直局限于實(shí)驗(yàn)階段，徘徊不前，未能有所突破，難以工業(yè)化，究其原因在于①傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法多為醇基溶膠-凝膠法，其采用了大量的有機(jī)溶劑(如乙醇、乙二醇、乙二醇甲醚、丙三醇等)和昂貴的有機(jī)原料(主要為羧酸鹽)，無法真正意義上實(shí)現(xiàn)低成本，綠色化，環(huán)境協(xié)調(diào)性；②溶膠除溶劑過程造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，配制的溶膠不穩(wěn)定造成可操作性差，難以實(shí)用，只能局限于實(shí)驗(yàn)研究，卻不能大規(guī)模的工業(yè)化，導(dǎo)致至今的壓電陶瓷的生產(chǎn)依舊采用傳統(tǒng)的固相合成法。因此探索一條以綠色溶劑和綠色原料為主的溶膠-凝膠工藝路線具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值，尤其是采用綠色資源水代替有機(jī)類的溶劑，對全球壓電陶瓷生產(chǎn)技術(shù)的環(huán)境協(xié)調(diào)化轉(zhuǎn)型具有革命性的意義。多年來，國際上只有極少的文獻(xiàn)和專利報(bào)道了綠色化的溶膠-凝膠法的相關(guān)工藝，綠色化主要是將有機(jī)溶劑改為單一的純水為溶劑，有機(jī)原料改為氧化物和無機(jī)鹽，但是僅有的少數(shù)報(bào)道中，其工藝都含有相當(dāng)量的有機(jī)溶劑，水只是充當(dāng)了一種介質(zhì)而已，不能完全意義上的實(shí)現(xiàn)綠色化。綠色化的水基溶膠-凝膠工藝，主要指除螯合劑和特殊原料外，不引入任何的有機(jī)溶劑，從而在單一的水性條件下制備出穩(wěn)定的溶膠，溶膠在除溶劑的過程中能保持穩(wěn)定的狀態(tài)，具有易操作、易工業(yè)化等特點(diǎn)。但因水為一種極性較強(qiáng)的物質(zhì)，大多數(shù)有機(jī)螯合劑并不溶于水，或者難以在強(qiáng)極性的溶劑中有效完成對金屬離子的絡(luò)合，亦或者螯合劑昂貴不實(shí)用；而已發(fā)現(xiàn)的檸檬酸鹽法雖然可以在水性條件下有效的絡(luò)合金屬離子，可是其工藝制備出的粉體，較粗糙、易結(jié)塊等，效果與醇基的溶膠-凝膠法相差甚遠(yuǎn)，因此縱使其有研究價(jià)值，卻不具備實(shí)用價(jià)值。另外，鈦酸鹽化合物的鈦源，主要為二氧化鈦、硫酸氧鈦、氯化鈦、鈦酸四丁酯等，雖然價(jià)格居于均衡，但是它們要么不溶于水，要么遇水即快速水解，生成氫氧化鈦，進(jìn)而水解為二氧化鈦，難以制備溶膠。因此突破水基溶膠-凝膠工藝的關(guān)鍵在于尋找一種特殊的螯合劑，其需同時(shí)具備親水性、親鈦源、能定向抑制鈦源水解、有效完成對多種金屬離子的絡(luò)合、廉價(jià)實(shí)用、環(huán)境協(xié)調(diào)型、易操作、產(chǎn)品質(zhì)量高等特點(diǎn)，這對水基螯合劑的選擇是 一道難以逾越的屏障，縱觀國際上諸多的研究成果，數(shù)十年來并未對水基溶膠-凝膠工藝獲得任何突破性的進(jìn)展。因此發(fā)現(xiàn)一種新型的水基螯合劑，探索出一條全新的水基溶膠-凝膠法制備技術(shù)路線，能完全克服固相合成法帶來的致命缺陷，又能克服傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法的引起多種弊端，并且能夠?qū)崿F(xiàn)完全意義上的綠色化的水基溶膠-凝膠工藝，就成為國際上研究的極難點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的克服傳統(tǒng)固相合成法和傳統(tǒng)溶膠-凝膠法制備技術(shù)的缺陷，提供一種環(huán)境協(xié)調(diào)型制備鈦酸鹽壓電陶瓷粉體的方法。真正意義上實(shí)現(xiàn)了工藝的綠色化，環(huán)境協(xié)調(diào)型，低成本，低耗能，優(yōu)異的可操作性，實(shí)用化；實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷制備技術(shù)質(zhì)的飛躍，為壓電陶瓷行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的轉(zhuǎn)型奠定基礎(chǔ)。本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下，包括以下步驟( I)采用綠色資源純水作為唯一的溶劑，金屬氧化物和碳酸鹽為原料，或者金屬氧化物替換為硝酸鹽，視鈦源的不同選用氫氟酸或濃硫酸或硝酸作為溶解劑，氨水或尿素為中和劑，硝酸銨為助燃劑，該硝酸銨由氨水和硝酸引入或者單獨(dú)加入，鈦源為鈦酸四丁酯或偏鈦酸、硫酸氧鈦、硫酸鈦、二氧化鈦、四氯化鈦之一或其組合，乳酸為螯合劑、膨化劑、造孔齊IJ，采用水基溶膠-凝膠法，在常溫下配制溶膠，溶膠調(diào)pH后，在80°C 160°C下真空濃縮或者常壓除溶劑后得凝膠，凝膠在180°C 200°C下經(jīng)過獨(dú)特的膨化工藝和自燃途徑后獲得納米自燃物，自燃物在550°C飛00°C下預(yù)燒O. 5^1小時(shí)后得納米粉體，粉體無團(tuán)聚，呈薄層微孔狀，薄層厚度< 10nm，具有較大的比表面積；(2)取上述粉體，經(jīng)過造粒、壓片、排塑工序后，生坯片在超低溫950°C 1025°C條件下廣2小時(shí)完成燒結(jié)，即得相組成單一、微觀結(jié)構(gòu)極其致密的陶瓷片，晶粒大小約300nnT800nm，陶瓷片經(jīng)過涂銀，燒銀后，在常溫硅油中，施加I. 5^3. 5kV/mm的直流電場，極化1(Γ20分鐘，極化溫度為常溫 80°C，靜置后即獲得鈦酸鹽壓電陶瓷成品。本專利技術(shù)具有以下技術(shù)效果( I)溶劑和原料為最簡單的試劑，實(shí)現(xiàn)了綠色化，低成本，克服了傳統(tǒng)溶膠-凝膠法最致命的缺陷。(2)專利技術(shù)一種新型水基螯合劑-乳酸，其具備親水性、親鈦源、絡(luò)合效率高、廉價(jià)實(shí)用、環(huán)境協(xié)調(diào)型、易操作、產(chǎn)品質(zhì)量高等特點(diǎn)，突破了水基溶膠-凝膠工藝的關(guān)鍵性障礙；(3)采用乳酸為螯合劑，配制出極其穩(wěn)定的溶膠，克服了傳統(tǒng)的溶膠不穩(wěn)定的因素；(4)采用乳酸為膨化劑及獨(dú)特的膨化工藝，實(shí)現(xiàn)了粉體的無團(tuán)聚，克服了固相合成法和傳統(tǒng)溶膠-凝膠法的粉體團(tuán)聚嚴(yán)重的現(xiàn)象；(5)采用乳酸為造孔劑及特殊的兩段造孔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了粉體的薄層狀、多微孔效果，極大的增加了粉體的比表面積；(6)專利技術(shù)了乳酸同時(shí)充當(dāng)螯合劑、膨化劑、造孔劑的三位一體的制備技術(shù)；(7)粉體采用超低溫度短時(shí)間完成預(yù)燒，克服了固相合成法的高溫長時(shí)間預(yù)燒，有效的降低了能耗；并且粉體晶粒的細(xì)度超過了傳統(tǒng)溶膠-凝膠法；(8)陶瓷的燒結(jié)溫度和時(shí)間大大降低，源于其粉體的不團(tuán)聚、薄層微孔化、納米化、較大的比表面積等，不但低于固相合成法，也低于傳統(tǒng)溶膠-凝膠法，降能耗明顯；也有效的避免高溫下金屬離子的揮發(fā)問題；(9)陶瓷的致密度極高，高于固相合成法；陶瓷晶粒的尺寸小于傳統(tǒng)溶膠-凝膠法，致密度的提高和晶粒的細(xì)小使其電學(xué)性能優(yōu)異；( 10)極化的常溫化，低電壓短時(shí)間化，相對于固相合成法和傳統(tǒng)溶膠-凝膠法更·具有優(yōu)勢。附圖說明圖1，為實(shí)施例I的凝膠的紅外光譜(IR)；圖2，為實(shí)施例I的凝膠的X-衍射(XRD )圖3，為實(shí)施例I的納米自燃物的XRD ；圖4，為實(shí)施例I的納米自燃物的普通數(shù)碼照(GPJ)圖5，為實(shí)施例I的凝膠同步熱分析儀(TG-DSC)；圖6，為實(shí)施例I的600°C預(yù)燒I小時(shí)的粉體的XRD ；圖7，為實(shí)施例I的600°C粉體的掃描電鏡(SEM)，7a_b ；圖8，為傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法BNKLT，600°C本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種制備鈦酸鹽壓電陶瓷粉體的環(huán)境協(xié)調(diào)型方法，其特征在于，包括以下步驟：（1）采用綠色資源純水作為唯一的溶劑，金屬氧化物和碳酸鹽為原料，或者金屬氧化物替換為硝酸鹽，視鈦源的不同選用氫氟酸或濃硫酸或硝酸作為溶解劑，氨水或尿素為中和劑，硝酸銨為助燃劑，該硝酸銨由氨水和硝酸引入或者單獨(dú)加入，鈦源為鈦酸四丁酯或偏鈦酸、硫酸氧鈦、硫酸鈦、二氧化鈦、四氯化鈦之一或其組合，乳酸為螯合劑、膨化劑、造孔劑，采用水基溶膠？凝膠法，在常溫下配制溶膠，溶膠調(diào)pH后，在80℃~160℃下真空濃縮或者常壓除溶劑后得凝膠，凝膠在180℃~200℃下經(jīng)過獨(dú)特的膨化工藝和自燃途徑后獲得納米自燃物，自燃物在550℃~600℃下預(yù)燒0.5~1小時(shí)后得納米粉體，粉體無團(tuán)聚，呈薄層微孔狀，薄層厚度＜10nm，具有較大的比表面積；（2）取上述粉體，經(jīng)過造粒、壓片、排塑工序后，生坯片在超低溫950℃~1025℃條件下1~2小時(shí)完成燒結(jié)，即得相組成單一、微觀結(jié)構(gòu)極其致密的陶瓷片，晶粒大小約300nm~800nm，陶瓷片經(jīng)過涂銀，燒銀后，在常溫硅油中，施加1.5~3.5kV/mm的直流電場，極化10~20分鐘，極化溫度為常溫~80℃，靜置后即獲得鈦酸鹽壓電陶瓷成品。...
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：廖運(yùn)文，姜寧，
申請(專利權(quán))人：西華師范大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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