本發(fā)明涉及一種無鉛壓電陶瓷材料的制備方法，屬于壓電陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)化的功能陶瓷材料，它的應(yīng)用十分廣泛，而且是應(yīng)用在與人們的生活密切相關(guān)的許多領(lǐng)域，以實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，傳感驅(qū)動，頻率控制等功能。在能量轉(zhuǎn)換方面，可制造壓電點火器、移動X光機(jī)電源、炮彈引爆裝置、壓電變壓器、壓電拾音器、壓電蜂鳴器、壓電喇叭，還可以做成金屬探傷器、超聲清洗、超聲醫(yī)療、超聲切割器。在傳感方面，可應(yīng)用于聲納系統(tǒng)、汽車倒車傳感、氣象探測、遙測環(huán)境保護(hù)、家用電器。在驅(qū)動方面，可用于精確的控制機(jī)構(gòu)-壓電驅(qū)動器、諧振器、濾波器等控制裝置時決定通訊設(shè)備性能的關(guān)鍵器件。隨著人們生活水平不斷的提高，此類產(chǎn)品的需求量也越來越多。
目前常見的無鉛壓電陶瓷體系主要有：鈦酸鋇基、含鉍層狀結(jié)構(gòu)、鎢青銅結(jié)構(gòu)、堿金屬鈮酸鹽系無鉛壓電陶瓷。這些無機(jī)壓電陶瓷因為組成和結(jié)構(gòu)不同，其性能也各具特色：鈦酸鋇基陶瓷材料壓電性能中等，但居里溫度偏低；含鉍層狀結(jié)構(gòu)和鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷材料的居里溫度高但壓電活性低；堿金屬鈮酸鹽系陶瓷則存在難以燒結(jié)致密的問題。盡管傳統(tǒng)固相合成工藝對提高無鉛壓電陶瓷壓電性能具有一定成效，但是其粉體的制備預(yù)燒結(jié)溫度高，組分不均，且需長時間保溫，耗時耗能。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題：針對無鉛壓電陶瓷材料預(yù)燒結(jié)溫度高，組分不均，且需長時間保溫，耗時耗能的問題，本發(fā)明首先以硝酸鋁、異丙醇鋁等物質(zhì)為原料，制備得到水解液，再將其與聚乙烯醇混合，得到前驅(qū)體凝膠粉末，接著將Bi2O3、硝酸溶液、碳酸鉀等物質(zhì)進(jìn)行混合，得到混合液1，再將乙酰丙酮和鈦酸四丁酯等物質(zhì)進(jìn)行混合，并加入無水乙醇，得到混合液2，并將其與混合液1、前驅(qū)體凝膠粉末混合陳化，得到混合凝膠，最后依次對其進(jìn)行預(yù)燒結(jié)和煅燒，即可得到無鉛壓電陶瓷材料。本發(fā)明制備的無鉛壓電陶瓷材料無需高預(yù)燒結(jié)溫度，節(jié)約時間和能耗，且得到的無鉛壓電陶瓷材料居里溫度和壓電活性高，可廣泛應(yīng)用于諧振器、濾波器等控制裝置等領(lǐng)域。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
（1）按重量份數(shù)計，分別稱量10～15份硝酸鋁、45～50份去離子水、5～10份異丙醇鋁和15～20份正硅酸乙酯置于燒杯中，在室溫下攪拌混合20～24h后，制備得水解液，隨后按質(zhì)量比1:10，將聚乙烯醇與水解液攪拌混合，在85～90℃下水浴加熱6～8h后，再在75～80℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干，制備得干燥前驅(qū)凝膠，隨后將干燥前驅(qū)凝膠置于球磨罐中，在250～300r/min球磨3～5h，隨后過100～120目篩，制備得前驅(qū)體凝膠粉末，備用；
（2）稱取1.2～1.3gBi2O3，將其與45～50mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%硝酸溶液混合并置于燒杯中，攪拌10～15min，隨后將1.2～1.5g碳酸鉀、0.2～0.3g碳酸鋰和45～50mL冰醋酸添加至燒杯中，在45～50℃下攪拌混合25～30min，制備得混合液1，備用；
（3）按乙酰丙酮與鈦酸四丁酯摩爾比1:8，將乙酰丙酮與鈦酸四丁酯攪拌混合并置于燒杯中，隨后添加乙酰丙酮質(zhì)量10倍的無水乙醇至燒杯中，在200～300W下超聲分散10～15min，制備得混合液2；
（4）按質(zhì)量比1:3:8，將步驟（1）備用的前驅(qū)體凝膠粉末、混合液2和步驟（2）備用混合液1攪拌混合，在室溫下陳化6～8h后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%氨水調(diào)節(jié)pH至2.5～3.0，隨后攪拌混合并置于65～70℃下干燥3～5h，收集得混合凝膠；
（5）將上述制備的混合凝膠置于120～130℃馬弗爐中預(yù)燒結(jié)1～2h，隨后收集預(yù)燒結(jié)粉末并置于550～600℃下煅燒1～2h，收集煅燒后的材料，將其移至管式氣氛爐中，在溫度為600～700℃，氮氣氣氛下預(yù)熱25～30min，隨后按15℃/min升溫至1100～1200℃，保溫煅燒1～2h后，靜置冷卻至室溫，碾磨即可制備得無鉛壓電陶瓷材料。
本發(fā)明制備的無鉛壓電陶瓷材料居里溫度為370～385℃，介電損耗為0.3～0.5%，相對介電常數(shù)為1340～1450，縱向壓電應(yīng)變常數(shù)為252～275PC·N-1，橫向壓電應(yīng)變常數(shù)為-150～-36PC·N-1。
本發(fā)明與其他方法相比，有益技術(shù)效果是：
（1）本發(fā)明制備的無鉛壓電陶瓷材料無需高預(yù)燒結(jié)溫度，只需120～130℃，能夠節(jié)約時間和能耗；
（2）本發(fā)明制備的無鉛壓電陶瓷材料居里溫度高，居里溫度為370～385℃；
（3）本發(fā)明制備的無鉛壓電陶瓷材料制備步驟簡單，所需成本低。
具體實施方式
首先按重量份數(shù)計，分別稱量10～15份硝酸鋁、45～50份去離子水、5～10份異丙醇鋁和15～20份正硅酸乙酯置于燒杯中，在室溫下攪拌混合20～24h后，制備得水解液，隨后按質(zhì)量比1:10，將聚乙烯醇與水解液攪拌混合，在85～90℃下水浴加熱6～8h后，再在75～80℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干，制備得干燥前驅(qū)凝膠，隨后將干燥前驅(qū)凝膠置于球磨罐中，在250～300r/min球磨3～5h，隨后過100～120目篩，制備得前驅(qū)體凝膠粉末，備用；再稱取1.2～1.3gBi2O3，將其與45～50mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%硝酸溶液混合并置于燒杯中，攪拌10～15min，隨后將1.2～1.5g碳酸鉀、0.2～0.3g碳酸鋰和45～50mL冰醋酸添加至燒杯中，在45～50℃下攪拌混合25～30min，制備得混合液1，備用；按乙酰丙酮與鈦酸四丁酯摩爾比1:8，將乙酰丙酮與鈦酸四丁酯攪拌混合并置于燒杯中，隨后添加乙酰丙酮質(zhì)量10倍的無水乙醇至燒杯中，在200～300W下超聲分散10～15min，制備得混合液2；接著按質(zhì)量比1:3:8，將備用的前驅(qū)體凝膠粉末、混合液2和備用混合液1攪拌混合，在室溫下陳化6～8h后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%氨水調(diào)節(jié)pH至2.5～3.0，隨后攪拌混合并置于65～70℃下干燥3～5h，收集得混合凝膠；最后將上述制備的混合凝膠置于120～130℃馬弗爐中預(yù)燒結(jié)1～2h，隨后收集預(yù)燒結(jié)粉末并置于550～600℃下煅燒1～2h，收集煅燒后的材料，將其移至管式氣氛爐中，在溫度為600～700℃，氮氣氣氛下預(yù)熱25～30min，隨后按15℃/min升溫至1100～1200℃，保溫煅燒1～2h后，靜置冷卻至室溫，碾磨即可制備得無鉛壓電陶瓷材料。
實例1
首先按重量份數(shù)計，分別稱量15份硝酸鋁、50份去離子水、10份異丙醇鋁和20份正硅酸乙酯置于燒杯中，在室溫下攪拌混合24h后，制備得水解液，隨后按質(zhì)量比1:10，將聚乙烯醇與水解液攪拌混合，在90℃下水浴加熱8h后，再在80℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干，制備得干燥前驅(qū)凝膠，隨后將干燥前驅(qū)凝膠置于球磨罐中，在300r/min球磨5h，隨后過120目篩，制備得前驅(qū)體凝膠粉末，備用；再稱取1.3gBi2O3，將其與50mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%硝酸溶液混合并置于燒杯中，攪拌15min，隨后將1.5g碳酸鉀、0.3g碳酸鋰和50mL冰醋酸添加至燒杯中，在50℃下攪拌混合30min，制備得混合液1，備用；按乙酰丙酮與鈦酸四丁酯摩爾比1:8，將乙酰丙酮與鈦酸四丁酯攪拌混合并置于燒杯中，隨后添加乙酰丙酮質(zhì)量10倍的無水乙醇至燒杯中，在300W下超聲分散15min，制備得混合液2；接著按質(zhì)量比1:3:8，將備用的前驅(qū)體凝膠粉末、混合液2和備用混合液1攪拌混合，在室溫下陳化8h后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%氨水調(diào)節(jié)pH至3.0，隨后攪拌混合并置于70℃下干燥5h，收集得混合凝膠；最后將上述制備的混合凝膠置于130℃馬弗爐中預(yù)燒結(jié)2h，隨后收集預(yù)燒結(jié)粉末并置于600℃下煅燒2h，收集煅燒后的材料，將其移至管式氣氛爐中，在溫度為700℃，氮氣氣氛下預(yù)熱30min，隨后按15℃/min升溫至1200℃，保溫煅燒2h后，靜置冷卻至室溫，碾磨即可制備得無鉛壓電陶瓷材料。
經(jīng)檢測，本發(fā)明制備的無鉛壓電陶瓷材料居里溫度為385℃，介電損耗為0.5%，相對介電常數(shù)為1450，縱向壓電應(yīng)變常數(shù)為275PC·N-1，橫向壓電應(yīng)變常數(shù)為-36PC·N-1。
實例2
首先按重量份數(shù)計，分別稱量10份硝酸鋁、45份去離子水、5份異丙醇鋁和15份正硅酸乙酯置于燒杯中，在室溫下攪拌混合20h后，制備得水解液，隨后按質(zhì)量比1:10，將聚乙烯醇與水解液攪拌混合，在85℃下水浴加熱6h后，再在75℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干，制備得干燥前驅(qū)凝膠，隨后將干燥前驅(qū)凝膠置于球磨罐中，在250r/min球磨3h，隨后過100目篩，制備得前驅(qū)體凝膠粉末，備用；再稱取1.2gBi2O3，將其與45mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%硝酸溶液混合并置于燒杯中，攪拌10min，隨后將1.2g碳酸鉀、0.2g碳酸鋰和45mL冰醋酸添加至燒杯中，在45℃下攪拌混合25min，制備得混合液1，備用；按乙酰丙酮與鈦酸四丁酯摩爾比1:8，將乙酰丙酮與鈦酸四丁酯攪拌混合并置于燒杯中，隨后添加乙酰丙酮質(zhì)量10倍的無水乙醇至燒杯中，在200W下超聲分散10min，制備得混合液2；接著按質(zhì)量比1:3:8，將備用的前驅(qū)體凝膠粉末、混合液2和備用混合液1攪拌混合，在室溫下陳化6h后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%氨水調(diào)節(jié)pH至2.5，隨后攪拌混合并置于65℃下干燥3h，收集得混合凝膠；最后將上述制備的混合凝膠置于120℃馬弗爐中預(yù)燒結(jié)1h，隨后收集預(yù)燒結(jié)粉末并置于550℃下煅燒1h，收集煅燒后的材料，將其移至管式氣氛爐中，在溫度為600℃，氮氣氣氛下預(yù)熱25min，隨后按15℃/min升溫至1100℃，保溫煅燒1h后，靜置冷卻至室溫，碾磨即可制備得無鉛壓電陶瓷材料。 經(jīng)檢測，本發(fā)明制備的無鉛壓電陶瓷材料居里溫度為370℃，介電損耗為0.3%，相對介電常數(shù)為1340，縱向壓電應(yīng)變常數(shù)為252PC·N-1，橫向壓電應(yīng)變常數(shù)為-150PC·N-1。
實例3
首先按重量份數(shù)計，分別稱量12份硝酸鋁、47份去離子水、7份異丙醇鋁和17份正硅酸乙酯置于燒杯中，在室溫下攪拌混合22h后，制備得水解液，隨后按質(zhì)量比1:10，將聚乙烯醇與水解液攪拌混合，在87℃下水浴加熱7h后，再在77℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干，制備得干燥前驅(qū)凝膠，隨后將干燥前驅(qū)凝膠置于球磨罐中，在270r/min球磨4h，隨后過110目篩，制備得前驅(qū)體凝膠粉末，備用；再稱取1.2gBi2O3，將其與47mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%硝酸溶液混合并置于燒杯中，攪拌12min，隨后將1.3g碳酸鉀、0.25g碳酸鋰和47mL冰醋酸添加至燒杯中，在47℃下攪拌混合27min，制備得混合液1，備用；按乙酰丙酮與鈦酸四丁酯摩爾比1:8，將乙酰丙酮與鈦酸四丁酯攪拌混合并置于燒杯中，隨后添加乙酰丙酮質(zhì)量10倍的無水乙醇至燒杯中，在250W下超聲分散12min，制備得混合液2；接著按質(zhì)量比1:3:8，將備用的前驅(qū)體凝膠粉末、混合液2和備用混合液1攪拌混合，在室溫下陳化7h后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%氨水調(diào)節(jié)pH至2.7，隨后攪拌混合并置于67℃下干燥4h，收集得混合凝膠；最后將上述制備的混合凝膠置于125℃馬弗爐中預(yù)燒結(jié)2h，隨后收集預(yù)燒結(jié)粉末并置于570℃下煅燒1h，收集煅燒后的材料，將其移至管式氣氛爐中，在溫度為650℃，氮氣氣氛下預(yù)熱27min，隨后按15℃/min升溫至1150℃，保溫煅燒1h后，靜置冷卻至室溫，碾磨即可制備得無鉛壓電陶瓷材料。
經(jīng)檢測，本發(fā)明制備的無鉛壓電陶瓷材料居里溫度為375℃，介電損耗為0.4%，相對介電常數(shù)為1430，縱向壓電應(yīng)變常數(shù)為260PC·N-1，橫向壓電應(yīng)變常數(shù)為-100PC·N-1。