鈮酸鉀織構陶瓷用模板粉體的制備

趙致如，張 帆

(沈陽化工大學材料科學與工程學院， 遼寧 沈陽 100142）

鈮酸鉀織構陶瓷用模板粉體的制備

趙致如，張 帆

(沈陽化工大學材料科學與工程學院， 遼寧 沈陽 100142）

以 Nb2O5和 KOH為原料，采用水熱法成功制備了鈮酸鉀(KNbO3)織構陶瓷用的片狀模板粉體K8Nb6O19·10H2O。通過X射線衍射分析(XRD)、掃描電鏡(SEM)分析了粉體的晶相和表觀形貌，考察了水熱反應條件和表面活性劑對粉體制備的影響。實驗結果表明：在140 ℃、反應2 h，KOH的濃度為9 mol/L時，能夠生成1 m厚的片狀模板粉體K8Nb6O19·10H2O。表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)的加入在一定程度上改善了片狀K8Nb6O19·10H2O粉體的表觀形貌，可使片狀粉體的徑厚比增大到6/1。

鈮酸鉀織構陶瓷； 水熱合成； 模板粉體K8Nb6O19·10H2O

壓電陶瓷是一種能夠實現機械能與電能之間轉換的新型功能材料，具有容易制成復雜形狀、成本低、機電耦合系數大、壓電性能可調節性好以及優越的光、電、熱、磁、力學性能和化學穩定性等優點，已廣泛用于諸多領域[1-6]。鈮酸鹽系壓電陶瓷作為無鉛壓電陶瓷研究的體系之一，具有居里溫度高，壓電性能好等優點，備受人們所重視[7-8]。但傳統的鈮酸鹽系陶瓷晶粒隨意取向，性能受限，而織構化是提高無鉛壓電陶瓷性能的有效途徑。織構陶瓷晶粒沿極化方向擇優取向，從而性能可達到最佳。制備各向異性的模板晶粒是制備鈮酸鹽系織構陶瓷工藝的關鍵，它將影響最終織構陶瓷材料的組成，取向程度，從而決定最終的材料性能。要獲得尺寸均勻、各向異性明顯的片狀或針狀模板晶粒的合成方法很多,主要有熔鹽法、水熱法等。相比較而言，水熱法是一個更為實用簡便并且可應用生產的方法，水熱合成制備的粉體，由于具有化學均勻好、粒度分布窄、形態可控制、分散性好、活性高和無需高溫處理等優點，近年來在納米材料、特別是高性能電子陶瓷粉體的合成和制備方面得到了廣泛的應用[9]。本文以Nb2O5和KOH為原料，用水熱法制備鈮酸鉀(KNbO3)織構陶瓷用模板粉體，并討論了水熱反應條件、表面活性劑對合成產物的晶體結構和表觀形貌影響。

1 實驗部分

1.1 粉體制備

采用Nb2O5(純度為99.9%)和KOH(分析純)為原料，KOH又為礦化劑，以去離子水為反應溶劑。將濃度為9 mol/L的KOH溶于水攪拌均勻，加入Nb2O5形成混合液，將表面活性劑溶于水，滴加到混合液中，并一起加入有聚四氟乙烯內襯的高壓釜中，釜的容量是50 mL，溶液填充度為80%。水熱合成溫度為140 ℃，反應時間為2 h。反應完畢后，自然冷卻沉淀取出進行洗滌、離心。樣品用去離子或無水乙醇洗滌，所得粉體在60 ℃烘干，研磨。

1.2 粉體表征

采用日本理學株式會社的D/MAX 2400型X射線衍射儀(XRD)對粉體進行晶相鑒定及分析，采用日本電子的日立 S-3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)來觀察粉體的表觀形貌。

2 結果與討論

圖1是在KOH的初始濃度為9 mol/L、反應時間為2 h、不添加表面活性劑的情況下，反應溫度分別為200,160,140 ℃所制得的粉體的XRD譜圖。

圖1 不同反應溫度制得的粉體的XRD譜圖Fig. 1 XRD patterns of powders obtained at different reaction temperatures

通過與標準 PDF卡片對照可知，當反應溫度為 140 ℃時，所生成的粉體的 XRD譜圖接近于K8Nb6O19·10H2O晶相；隨著反應溫度升高到140 ℃以上時，即反應溫度從160 ℃到200 ℃，生成了穩定的鈣鈦礦KNbO3晶相，衍射峰的強度隨溫度的升高而增強，說明了水熱溫度的升高對晶粒的生長與形成起了促進作用，使鈮酸鉀逐漸反應充分。

利用 SEM掃描電鏡觀察水熱法所制備出的粉體的形貌圖片。下面是對鈣鈦礦KNbO3的形貌圖片和K8Nb6O19·10H2O粉體的形貌圖片的比較。蓋粘貼在這里正文內容覆蓋粘貼在這里。

由圖2可以看出，鈣鈦礦KNbO3的形貌呈現出塊狀的斜方晶相，這種塊狀形貌不適合制備織構陶瓷；而圖3中的K8Nb6O19·10H2O粉體的形貌呈現片狀，片狀形貌可以通過施加剪切力來獲得高取向排列，用來制備織構陶瓷，因為織構陶瓷晶粒沿極化方向擇優取向,提高陶瓷的壓電性能，獲得性能高的壓電陶瓷。

圖2 KNbO3粉體的SEM圖片Fig. 2 SEM photo of KNbO3 powders

圖3 K8Nb6O19·10H2O粉體的SEM圖片Fig. 3 SEM photo of K8Nb6O19·10H2O powders

圖4為添加表面活性劑所制得K8Nb6O19·10H2O粉體的SEM對比圖，選用表面活性劑為十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)。

圖4添加SDBS所制得的K8Nb6O19·10H2O粉體的SEM圖Fig. 4 SEM photos of K8Nb6O19·10H2O synthesized by adding SDBS surfactant

由圖4可以看出，添加表面活性劑與不加任何添加劑(圖3)所得的樣品的形貌具有片狀結構，其中未添加SDBS制得的樣品為厚片狀，徑厚比小，且表面形貌不規整；而添加SDBS之后所生成粉體的片狀形貌規整均勻，團聚程度降低，片狀厚度減小，徑厚比明顯增大，可達6/1。這是由于SDBS溶于水后，磺酸基是帶有負電荷的基團，與K8Nb6O19·10H2O模板晶粒表面電性相同，因此兩者之間存在靜電斥力，使帶電基團不能靠近粒子表面，而只能通過非極性部分與K8Nb6O19·10H2O模板粉體間的色散作用進行吸附，抑制了晶粒縱向的生長，影響了晶粒的形貌，增加片狀形貌的徑厚比。

此片狀K8Nb6O19·10H2O粉體可用來作為KNbO3織構陶瓷用模板粉體。

3 結 論

以KOH和Nb2O5為原料，在140 ℃、2 h, KOH濃度為9 mol/L的堿性溶液中用水熱法成功制備了片狀結構K8Nb6O19·10H2O粉體。相同反應條件下，添加表面活性劑在反應過程中對K8Nb6O19·10H2O粉體的形貌有一定的影響。表面活性劑的吸附作用抑制了K8Nb6O19·10H2O晶粒在縱向的生長，使其徑厚比增大到6/1，此粉體希望被用來制備KNbO3織構陶瓷。

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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

趙致如（1985-），女 ，遼寧營口人，碩士研究生，2011年畢業于沈陽化工大學高分子化學與物理專業，研究方向：無鉛壓電陶瓷。E-mail：ykzzr2005@126.com。

張帆（1973-），女，副教授，博士，研究方向：無鉛壓電陶瓷制備。E-mail：zhangfan999@hotmail.com。