[发明专利]一种片状钛酸铋钾压电陶瓷粉体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钙钛矿型各向异性陶瓷粉体的配方和制备方法，属于一种新型无机材料的制备及工艺研究。该发明制备的陶瓷粉体晶粒形貌呈片状，在结构上具有明显的各向异性，是一种能够引导晶粒定向制备织构化钙钛矿结构型陶瓷的有效模板。

背景技术

铅基压电陶瓷因为具有良好的机电转换能力，在如传感器和驱动器等诸多的应用领域都有广泛的应用，但是这种陶瓷因为含有大量有毒的氧化铅，在其制备过程及丢弃后会对环境产生严重污染。出于环保的考虑，各国研究者都在开发环境友好型的压电陶瓷材料。在现有的无铅压电陶瓷体系中，钛酸铋钠(Na_0.5Bi_0.5TiO₃)基钙钛矿型陶瓷具有较高的居里温度，及相对较好的压电性能，并且其机电耦合系数各向异性明显(k_t约50％，k_p约13％)。钛酸铋钠基压电陶瓷的这些特点使得它在许多领域有着潜在的应用前景。

虽然钛酸铋钠基无铅压电陶瓷有着较好的压电性能，但是与铅基压电陶瓷相比还是有很大的差距，因此，现有的钛酸铋钠基压电陶瓷需要大幅度提高其性能才有可能替代现有的铅基压电陶瓷。对钛酸铋钠基陶瓷的改性一般有两种方法：掺杂改性和晶粒定向。与掺杂改性相比，晶粒定向技术利用了材料性能各向异性的特点，能够在不改变其居里温度的情况相大幅度提高其性能，因此是一种非常有效的提高材料性能的办法。常用的晶粒定向方法包括热压和模板晶粒生长法等，其中热压法通过在烧结过程中施加应力来使其中的晶粒定向排列，这种方法仅适合少数晶体结构对称性差的材料如含铋层状结构和钨青铜结构压电陶瓷的晶粒定向；模板晶粒生长法则通过添加各向异性的模板晶粒，并使其定向排列，在烧结过程中模板晶粒引导其它的晶粒定向生长，此方法适合所有的压电陶瓷的定向。模板晶粒生长法的关键是找到适合引导晶粒定向生长的模板晶粒。在钛酸铋钠基陶瓷的定向中，常见的模板晶粒是钛酸铋(Bi₃Ti₄O₁₂)和钛酸锶(SrTiO₃)。采用这两种模板晶粒虽然也能得到取向度较高的织构化钛酸铋钠基压电陶瓷，但是它们也有一些缺点，如采用钛酸铋作为模板晶粒时，其余的组分无法预合成，因此常常需要采用冷等静压及通氧烧结等手段才能较好的致密化；采用钛酸锶作为模板晶粒时，由于钛酸锶是顺电相，并且锶的扩散容易导致材料的居里温度急剧下降，影响材料性能。钛酸铋钾(K_0.5Bi_0.5TiO₃)是一种与钛酸铋钠具有相似结构和性能的无铅压电材料，在钛酸铋钠中掺入15％左右的钛酸铋钠能够大幅度提高其压电性能。如果钛酸铋钾作为模板晶粒加入，必将同时获得掺杂改性和晶粒定向的双重效果，从而更大幅度的提高材料的压电性能。但是，由于钛酸铋钾具有高对称性的钙钛矿结构，仅采用其碳酸盐或者氧化物为原料进行熔盐反应无法得到各向异性的模板晶粒。

本发明采用离子交换法制备片状结构钛酸铋钾模板晶粒，即先制备含铋层状的钛酸铋模板晶粒，然后通过离子交换，使其转变为钛酸铋钾，并且保持其原有的片状形貌。采用这种工艺能够制备各向异性明显的钙钛矿结构模板晶粒，非常适合钛酸铋钠(钾)基陶瓷的晶粒定向，能同时起到掺杂改性和晶粒定向的效果。

发明内容

本发明的目的在于利用铋层状结构陶瓷粉体明显的各向异性特征，采用离子交换法，通过一定的化学反应将其转化为钙钛矿型陶瓷粉体，而其形态和结构上的各向异性得以保留。

本发明的目的可以通过如下的技术方案来达到：以氧化铋(Bi₂O₃)和氧化钛(TiO₂)为初始原料，采用KCl作为熔盐，两者按一定量配比混合均匀，经过高温使初始原料在KCl熔融盐介质中反应生成钛酸铋(Bi₄Ti₃O₁₂)粉体。再以钛酸铋(Bi₄Ti₃O₁₂)、碳酸钾(K₂CO₃)和氧化钛(TiO₂)为反应前驱体，继续采用熔盐法，通过以下的化学反应得到钙钛矿结构型钛酸铋钾(K_0.5Bi_0.5TiO₃)粉体，这种粉体的晶粒形态呈现明显的各向异性。