铌酸钾织构陶瓷用模板粉体的制备

赵致如，张 帆

(沈阳化工大学材料科学与工程学院， 辽宁 沈阳 100142）

铌酸钾织构陶瓷用模板粉体的制备

赵致如，张 帆

(沈阳化工大学材料科学与工程学院， 辽宁 沈阳 100142）

以 Nb2O5和 KOH为原料，采用水热法成功制备了铌酸钾(KNbO3)织构陶瓷用的片状模板粉体K8Nb6O19·10H2O。通过X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)分析了粉体的晶相和表观形貌，考察了水热反应条件和表面活性剂对粉体制备的影响。实验结果表明：在140 ℃、反应2 h，KOH的浓度为9 mol/L时，能够生成1 m厚的片状模板粉体K8Nb6O19·10H2O。表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的加入在一定程度上改善了片状K8Nb6O19·10H2O粉体的表观形貌，可使片状粉体的径厚比增大到6/1。

铌酸钾织构陶瓷； 水热合成； 模板粉体K8Nb6O19·10H2O

压电陶瓷是一种能够实现机械能与电能之间转换的新型功能材料，具有容易制成复杂形状、成本低、机电耦合系数大、压电性能可调节性好以及优越的光、电、热、磁、力学性能和化学稳定性等优点，已广泛用于诸多领域[1-6]。铌酸盐系压电陶瓷作为无铅压电陶瓷研究的体系之一，具有居里温度高，压电性能好等优点，备受人们所重视[7-8]。但传统的铌酸盐系陶瓷晶粒随意取向，性能受限，而织构化是提高无铅压电陶瓷性能的有效途径。织构陶瓷晶粒沿极化方向择优取向，从而性能可达到最佳。制备各向异性的模板晶粒是制备铌酸盐系织构陶瓷工艺的关键，它将影响最终织构陶瓷材料的组成，取向程度，从而决定最终的材料性能。要获得尺寸均匀、各向异性明显的片状或针状模板晶粒的合成方法很多,主要有熔盐法、水热法等。相比较而言，水热法是一个更为实用简便并且可应用生产的方法，水热合成制备的粉体，由于具有化学均匀好、粒度分布窄、形态可控制、分散性好、活性高和无需高温处理等优点，近年来在纳米材料、特别是高性能电子陶瓷粉体的合成和制备方面得到了广泛的应用[9]。本文以Nb2O5和KOH为原料，用水热法制备铌酸钾(KNbO3)织构陶瓷用模板粉体，并讨论了水热反应条件、表面活性剂对合成产物的晶体结构和表观形貌影响。

1 实验部分

1.1 粉体制备

采用Nb2O5(纯度为99.9%)和KOH(分析纯)为原料，KOH又为矿化剂，以去离子水为反应溶剂。将浓度为9 mol/L的KOH溶于水搅拌均匀，加入Nb2O5形成混合液，将表面活性剂溶于水，滴加到混合液中，并一起加入有聚四氟乙烯内衬的高压釜中，釜的容量是50 mL，溶液填充度为80%。水热合成温度为140 ℃，反应时间为2 h。反应完毕后，自然冷却沉淀取出进行洗涤、离心。样品用去离子或无水乙醇洗涤，所得粉体在60 ℃烘干，研磨。

1.2 粉体表征

采用日本理学株式会社的D/MAX 2400型X射线衍射仪(XRD)对粉体进行晶相鉴定及分析，采用日本电子的日立 S-3400N型扫描电子显微镜(SEM)来观察粉体的表观形貌。

2 结果与讨论

图1是在KOH的初始浓度为9 mol/L、反应时间为2 h、不添加表面活性剂的情况下，反应温度分别为200,160,140 ℃所制得的粉体的XRD谱图。

图1 不同反应温度制得的粉体的XRD谱图Fig. 1 XRD patterns of powders obtained at different reaction temperatures

通过与标准 PDF卡片对照可知，当反应温度为 140 ℃时，所生成的粉体的 XRD谱图接近于K8Nb6O19·10H2O晶相；随着反应温度升高到140 ℃以上时，即反应温度从160 ℃到200 ℃，生成了稳定的钙钛矿KNbO3晶相，衍射峰的强度随温度的升高而增强，说明了水热温度的升高对晶粒的生长与形成起了促进作用，使铌酸钾逐渐反应充分。

利用 SEM扫描电镜观察水热法所制备出的粉体的形貌图片。下面是对钙钛矿KNbO3的形貌图片和K8Nb6O19·10H2O粉体的形貌图片的比较。盖粘贴在这里正文内容覆盖粘贴在这里。

由图2可以看出，钙钛矿KNbO3的形貌呈现出块状的斜方晶相，这种块状形貌不适合制备织构陶瓷；而图3中的K8Nb6O19·10H2O粉体的形貌呈现片状，片状形貌可以通过施加剪切力来获得高取向排列，用来制备织构陶瓷，因为织构陶瓷晶粒沿极化方向择优取向,提高陶瓷的压电性能，获得性能高的压电陶瓷。

图2 KNbO3粉体的SEM图片Fig. 2 SEM photo of KNbO3 powders

图3 K8Nb6O19·10H2O粉体的SEM图片Fig. 3 SEM photo of K8Nb6O19·10H2O powders

图4为添加表面活性剂所制得K8Nb6O19·10H2O粉体的SEM对比图，选用表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠(SDBS)。

图4添加SDBS所制得的K8Nb6O19·10H2O粉体的SEM图Fig. 4 SEM photos of K8Nb6O19·10H2O synthesized by adding SDBS surfactant

由图4可以看出，添加表面活性剂与不加任何添加剂(图3)所得的样品的形貌具有片状结构，其中未添加SDBS制得的样品为厚片状，径厚比小，且表面形貌不规整；而添加SDBS之后所生成粉体的片状形貌规整均匀，团聚程度降低，片状厚度减小，径厚比明显增大，可达6/1。这是由于SDBS溶于水后，磺酸基是带有负电荷的基团，与K8Nb6O19·10H2O模板晶粒表面电性相同，因此两者之间存在静电斥力，使带电基团不能靠近粒子表面，而只能通过非极性部分与K8Nb6O19·10H2O模板粉体间的色散作用进行吸附，抑制了晶粒纵向的生长，影响了晶粒的形貌，增加片状形貌的径厚比。

此片状K8Nb6O19·10H2O粉体可用来作为KNbO3织构陶瓷用模板粉体。

3 结 论

以KOH和Nb2O5为原料，在140 ℃、2 h, KOH浓度为9 mol/L的碱性溶液中用水热法成功制备了片状结构K8Nb6O19·10H2O粉体。相同反应条件下，添加表面活性剂在反应过程中对K8Nb6O19·10H2O粉体的形貌有一定的影响。表面活性剂的吸附作用抑制了K8Nb6O19·10H2O晶粒在纵向的生长，使其径厚比增大到6/1，此粉体希望被用来制备KNbO3织构陶瓷。

[1] 李文卓，赵万生.压电/电致伸缩材料及驱动器的新技术与应用[J].压电与声光，2001, 23(4): 259.

[2] 刘光聪.压电陶瓷材料的新近走势[J].世界产品与技术，2001, 122(26): 41-43.

[3] Takenaka T，Nagata H.Current status and prospects of lead-free piezoe-lectric ceramics[J]. J. Eur. Ceram. Soc.,2004, 432: 2693-2700.

[4] Saito Y, Takao H, Tani T. Lead-free piezoceramics[J]. Nature, 2004, 432: 84-87.

[5] Yoo J, Lee K, Chung K, et al. Piezoelectric and Dielectric Properties of (LiNaK)(NbTaSb)O3Ceramics with Variation in Poling Temperature[J]. Jpn. J. Ap-pl. Phys., 2006, 45(9B): 7444-7448.

[6] Karaki T, Yan Y, Miyamoto T, et al. Lead-Free Piezoelectric Ceramics with Large Dielectric and Piezoelectric Constants Manufactured from BaTiO3Nano-Powder[J]. Jpn. J. Appl. Phys., 2007, 46(4): L97-L98.

[7] Yang Y F, Liu Y Y, Meng J. et al. Preparation, structure and dielectric pro-perties of(Ba1−xSrx)2NaNb5O15ceramics[J]. J. Alloys Compd., 2008, 453(1-2): 401-406.

[8] Xie R J, Akimune Y, Wang R P, et al. Dielectric and piezoelectric propert-Ies of barium-substitute Sr1.9Ca0.1NaNbO15ceramics[J]. Jpn. J. Appl. Phys,. 2003, 42(12): 7404-7409.

[9] 翟学良,等.水热法制备四方相 BTaOI:及其晶相转化机理[J].硅酸盐学报, 2000, 28(4).

Preparation of Template Grains for Producing Plate-like Potassium Niobate Textured Ceramics by Hydrothermal Method

ZHAO Zhi-Ru，FAN ZHANG
( School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142，China)

Niobium pentaoxide (Nb2O5) and potassium hydroxide (KOH) particles were selected as raw materials, plate-like KNbO3template precursors for producing plate-like potassium niobate textured ceramics were synthesized by hydrothermal method. By XRD and SEM, crystalline phase and morphology of the particles were analyzed. Effects of hydrothermal reaction conditions and surfactant on preparation of powders were also studied. The results show that suitable plate-like K8Nb6O19·10H2O precursor can be obtained at 140 ℃ for 2 h with 9 mol/L KOH. To add sodium dodecyl-benzenesulfonate (SDBS) can affect morphology of K8Nb6O19·10H2O. The length/thickness ratio of the plate-like powder can increase to 6 after adding sodium dodecyl-benzenesulfonate(SDBS).

Potassium niobate textured ceramics; Hydrothermal method; K8Nb6O19·10H2O template grains

TB 44

A

1671-0460（2011）03-0265-03

2011-01-19

赵致如（1985-），女 ，辽宁营口人，硕士研究生，2011年毕业于沈阳化工大学高分子化学与物理专业，研究方向：无铅压电陶瓷。E-mail：ykzzr2005@126.com。

张帆（1973-），女，副教授，博士，研究方向：无铅压电陶瓷制备。E-mail：zhangfan999@hotmail.com。