[发明专利]一种铌酸钠粉体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷材料制备领域，涉及一种压电陶瓷粉体的制备方法，尤其是一种用于压电陶瓷的铌酸钠粉体的制备方法。

背景技术

压电陶瓷是一种高性能陶瓷材料，它在微电子等诸多领域都有广泛的应用。然而，目前常用的压电陶瓷大多数是含铅基陶瓷，主要是在锆钛酸铅系[Pb(TiZr)O₃简写作PZT]及其在PZT基础上的掺杂改性上。PZT基陶瓷的主要成分是PbO，一种有毒的物质，在烧结温度下，具有挥发性，除对人体、环境造成危害外，也使产品压电参数的一致性和重复性降低。因此，从环境保护和技术发展的角度来看，寻找替代PZT的无铅压电陶瓷材料是很有必要而且是很紧迫的课题之一。

目前无铅压电材料主要分BaTiO₃基无铅压电陶瓷、BNT基无铅压电陶瓷、铋层状无铅压电陶瓷、铌酸盐系无铅压电陶瓷几类。其中碱金属铌酸盐以居里点高、具反铁电性而受到人们的瞩目，尤其是NaNbO₃作为反铁电体，能与多种结构的铁电体形成不同特性的固溶体陶瓷。铌酸钠在室温下为反铁电体，具有类钙钛矿结构的斜方结构。适当添加如KNbO₃、LiNbO₃等铁电体作为第二组元进行改性后，可得到性能较好的铁电压电体。

研究表明由可控形貌的铌酸钠粉体制成的器件具有更加优越的性能。最近，有报道称具有特殊形貌的颗粒(例如：纤维、片状和棒状等)可以用于制备织构陶瓷，该陶瓷具有比普通陶瓷高的压电性和介电性能。

目前，制备陶瓷粉体的方法主要有湿化学法、溶胶凝胶法和聚合物前驱体法。其中湿化学法是合成陶瓷粉体的有效手段。溶胶凝胶法制备NaNbO₃陶瓷粉体所用原料通常为铌的醇盐，如五乙醇铌等，该试剂价格昂贵且极易水解，因而其制备过程中要求的条件较为苛刻，需要严格的惰性气体保护。聚合物前驱体法也是一种湿化学法，它是在Pechini法的基础上发展起来的，该方法的基本原理是以羟基羧酸，如：柠檬酸、酒石酸等为金属配位剂，使金属离子和羟基羧酸在水溶液中形成稳定的配合物，通过加入乙二醇促进化合物聚合，最后聚酯得到前驱体凝胶，凝胶经干燥和高温煅烧可得陶瓷粉体。用聚合物前驱体法，以Nb₂O₅为初始原料，制备铌的柠檬酸配合物，并以此为铌源低温合成NaNbO₃亚微米粉体。

上面几种制备陶瓷粉体的方法都需要高温煅烧，合成的粉体周期较长。

微波水热法是采用微波场作热源进行水热合成的方法。微波是一种频率在300MHz-300GHz的电磁波，即波长在100cm至1mm范围内的电磁波，也就是说波长在远红外线与无线电波之间。通过分子极化和离子导电两个效应对物质直接加热，物质吸收的能量迅速使其在分子和均匀加热介质间的重新分配，因此它是一种“内加热”。试样和消解溶液在密闭容器里通过微波的快速加热，使试样在高温高压下，表面层搅动、破裂，不断产生新的试样表面与溶液接触，直至试样消解完全。因此可在较短的时间内合成粉体。

铌酸钠粉体是无色三斜晶体(a＝556.8pm，b＝550.5pm，c＝1551.8pm)。随着温度的降低，铌酸钠有5种晶型转变：非极性的α相在604℃转变为β相(立方晶系钙钛矿结构)，562℃转变为γ相(假四方晶系，非极性)，354℃转变为δ相(菱形晶系，具有反铁电性，介电常数达到最大值1800，密度7.127g/cm3)，200℃时变为ε相(单斜晶，具有铁电性质)。铌酸钠属反铁电陶瓷，点群222，居里点480℃。

NaNbO₃(NN)是室温下类钙钛矿结构的反铁电体，反铁电范围为-100-360℃，具有强电场诱发的铁电性和存在复杂的结晶相变，0℃以下则表现出铁电性。经少量Li或Na掺杂的NaNbO₃材料在室温以上具有强的铁电性，在压电、热释热释电、电光等方面都有良好的性能和广泛的应用前景。NaNbO₃基无铅压电陶瓷具有独特的物理性质：低密度、高声学速度、介电常数、机械品质因数及压电常数取值范围较宽等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种铌酸钠粉体的制备方法，该方法以Nb₂O₅为原料，NaOH为矿化剂或以Nb₂O₅和NaOH为原料，KOH为矿化剂，用微波水热法制备纯斜方晶系的铌酸钠粉体，该方法不但工艺控制简单，可重复性强，而且工艺周期短，节省能源。