[发明专利]一种钙掺杂钛酸铅陶瓷纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷纤维的制备方法，特别是一种钙掺杂钛酸铅陶瓷纤维的制备方法。

背景技术

钛酸铅(PbTiO₃)是一种具有四方相钙钛矿型结构的铁电材料，具有居里温度高、轴向比率大、相对介电常数小、压电各向异性大、稳定性好、性能参数易调整等优点，是一种非常重要的铁电压电材料，且纤维对于在小型装置中降低热容，提高响应及灵敏度是理想的几何形状，这样扩大了其在微型装置中的用途，因而具有广阔的应用前景。但是随着科学技术的发展，对材料的要求也越来越高，不但要求纤维具有良好的结晶性能和精确的化学计量比，而且要求纤维具有光滑完整的表面，以及不同的物理和化学性质，且另一方面由于钛酸铅的四方矫顽场大，成为陶瓷的晶界能高，使它在煅烧过程中经过居里点时，容易导致试样碎裂，甚至粉化，从而给钛酸铅陶瓷的制备带来了一定的困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计科学合理、纤维表面光滑、致密度高、性能优良、不易碎裂、方便操作、易于实现的钙掺杂钛酸铅陶瓷纤维的制备方法。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种钙掺杂钛酸铅陶瓷纤维的制备方法，其特征在于：其具体步骤如下：

(1)稳定溶胶的制备：

a.将钛酸四丁酯与螯合剂进行混合，并进行加热回流，然后加入溶剂进行充分搅拌，形成清亮的溶胶；

b.向清亮的溶胶中依次加入催化剂、醋酸钙及三水合醋酸铅，浓度控制为1mol/L，在80℃下水浴回流搅拌1h，即可得到稳定的Pb_1-xCa_xTiO₃淡黄色稳定溶胶；

(2)拉丝、干燥：

将制得的稳定溶胶转移到容器中进行加热，溶胶的黏度逐渐增大，可纺性增强，用纺丝装置进行纺丝得到凝胶纤维，室温干燥得到干凝胶纤维；

(3)干凝胶纤维加热分解：

将干凝胶纤维放入管式炉中进行加热分解，得到钙掺杂钛酸铅粉体纤维；

(4)烧结：

将钙掺杂钛酸铅粉体纤维在一定温度下进行烧结退火，得到Pb_1-xCa_xTiO₃陶瓷纤维。

而且，所述的溶剂为无水乙醇。

而且，所述的螯合剂为三乙醇胺。

而且，所述的催化剂为冰醋酸。

而且，所述醋酸钙与三水合醋酸铅、催化剂、螯合剂、水、钛酸四丁酯的摩尔比为1.1：6：0.5：3.3：1，醋酸钙与三水合醋酸铅的总量为1。

而且，所述的Pb_1-xCa_xTiO₃，其x的量为0-30％。

而且，所述烧结的条件为：烧结温度为750℃，烧结时间为60min，升温速率为2℃/min。

本发明的优点和有益效果为：

1.本钙掺杂钛酸铅陶瓷纤维的制备方法，所制得的纤维制品均匀度高，尤其是制备多组份纤维时优势更加明显。溶胶-凝胶过程经溶液、溶胶、凝胶3个阶段，原料各组分在溶液中可以达到分子水平的混合。这就容易控制早期结晶以及材料的显微结构，这对于材料的物理性能以及化学性能影响很大。另外，溶胶-凝胶工艺过程温度低，可以在室温下纺丝成形，烧成温度也比传统温度低400～500℃。当溶胶达到合适黏度后，可以在室温下干纺成形；因为所需产物在煅烧前已经部分成形，且凝胶粒子较小，表面积大，大大降低煅烧温度，从而降低了能耗。并且，产品的纯度很高。通过该制备方法成形的产品，其纯度只决定于原料的纯度，这样，根据需要严格控制反应物的配比，可以达到控制产物结构的目的。再有，化学计量准确，易于改性，掺杂的范围宽(包括掺杂的量和种类)。从同一种原料出发，改变工艺过程即可获得不同的产品如粉料、薄膜、纤维等。同时，其工艺简单，不需要昂贵的设备。

2.本钙掺杂钛酸铅陶瓷纤维的制备方法，Pb_1-xCa_xTiO₃(PCT)是将Ca²⁺取代晶格中A格位上的Pb²⁺的等价改性，掺杂少量Ca²⁺可以降低其居里温度、可以促使钛酸铅由四方相向立方相转变，转变的程度与掺入量有关、钙掺杂有细化晶粒的作用，随着钙掺入量的增加，纤维的颗粒逐渐减小，纤维表面逐渐变得光滑、致密。本钙掺杂钛酸铅陶瓷纤维是一种很有前景的铁电、压电和热释电材料。