邱燕子

（西安交通工程学院，陕西 西安 710300）

0 引言

压电陶瓷是一种成本较低的材料，能够适用于大批量的产品生产中并具备机电耦合系数高的优点，这些因素使得压电陶瓷在压电变压器、水声换能器、机械滤波器和医学超声换能器等领域得到了广泛的应用[1]。但是目前比较常见的是有铅的压电陶瓷，这种陶瓷中氧化铅的含量能够达到70%，无论是在生产还是使用的过程中，都会导致严重的环境污染并影响压电陶瓷的性能。无铅压电陶瓷的制备是材料产业发展中的重要内容，通过对无铅压电陶瓷的制备，能够更好地促进环境与材料的协调发展，进而提升压电陶瓷的各项性能[2]。

1 钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的粉体制备

钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备技术相对成熟，这种陶瓷的性能得到了很大的提升，目前被广泛地应用在高频领域，在钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备中，最重要的就是高性能钛酸铋钠基无铅压电陶瓷粉体的制备，不同的粉体制备方法也会存在粉体均匀性以及粒径等方面的差异。该文将重点针对钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的粉体制备进行深入分析，更深入地探究高性能钛酸铋钠基无铅压电陶瓷粉体制备的方法[3]。

1.1 传统固相法合成钛酸铋钠基无铝压电陶瓷粉体

传统的固相法是一种通过固体物质直接参与进行制备的方法，包括固-固、固-气以及固-液反应，是一种非均相反应。固相法能够对固体的物质进行制备，使其具有更多的固有特性，固相反应即反应物之间接触发生化学反应进而产生新的物质，当新生成的物质集结到一定的大小之后，会产生独立的晶相。由此来看，在传统的固相反应中，一般需要经过扩散、反应、成核以及生长的四个过程，固相法是一种相对比较简单的工艺，需要使用的仪器设备也比较简单，当前在钛酸铋钠基无铝压电陶瓷粉体制备中，是一种常用的制备方法。

1.1.1 试验仪器及原料

该研究中使用到的试验仪器有扫描电子显微镜、电热鼓风干燥箱、箱式电阻炉以及超声波期清洗器等。需要的试验原料有碳酸钠、碳酸锂、碳酸钾、二氧化钛以及三氧化二铋[4]。

1.1.2 试验过程

固相法进行粉体制备的工艺流程图如图1所示。

图1 固相法的制备流程图

计算原料称量：根据钛酸铋钠基无铝压电陶瓷粉体的纯度要求，采用电子天平秤来进行各种原料的计算，每种原料的称量需要精确到0.0001g。

球磨：这一过程是对原料进行研磨，在球磨的过程中需要在原料中加入1∶1.3的无水乙醇来更好地促进球磨的质量。球磨的时间大概在3小时左右。

干燥：球磨结束之后须对原料进行干燥处理，需要借助电热鼓风干燥箱来完成，采用60℃的温度干燥5h可以更好地去除原料中的无水乙醇[5]。

煅烧：在对原料干燥之后须进行煅烧处理，煅烧的过程需要借助箱式电阻炉进行，分别采用700℃、800℃、850℃、900℃等不同的温度来进行煅烧，在煅烧结束之后，对原料进行冷却处理。

后处理：将煅烧之后的产物进行研磨处理，之后可以得到钛酸铋钠基无铝压电陶瓷粉体样品。

1.1.3 试验结果

1.1.3.1 XRD的物相结果分析

每种温度下的煅烧都会使合成的物质出现氧化铋的杂质，但是在不同温度线下，杂质的含量不同，通过XRD的物相结果可以发现当850℃时谱图上观察到的氧化铋的杂质含量是最受的，通过试验可以将固相法制备钛酸铋钠基无铝压电陶瓷粉体的温度确定为850℃。

根据XRD的物相结果显示，2h和4h的谱图特征基本上是相似的，但是在杂质含量上，当反应时间越来越长时，杂志含量并未出现减少的趋势。由此可以验证在钛酸铋钠基无铝压电陶瓷粉体的制备中，只需要2h即可完成固相反应，试验确定了该固相反应的保温时间为2h，便于更好地制定高性能的钛酸铋钠基无铝压电陶瓷粉体。

1.1.3.2 SEM的形貌分析

分析最终制备粉体的 SEM 形貌，通过显微镜观察，通过观察可以发现在850℃、2h的条件下采用固相法制成的粉体，其晶体颗粒比较完整，大晶粒的尺寸可以达到1μm，小晶粒的尺寸仅0.1μm，晶粒之间的尺寸差距较大，制成的粉体在晶粒的尺寸上存在分布不均匀的现象，得到的钛酸铋钠基无铝压电陶瓷粉体的纯度也有待提升。

1.2 熔盐法合成钛酸铋钠基无铝压电陶瓷粉体

熔盐法是一种在高新技术材料中比较常用的材料合成方法。其原理是将原料在高温下溶解在低熔点助熔剂的熔液内，通过缓慢降温或其他方法形成过饱和溶液，析出晶体并生成材料的制备物质。近几年在钛酸铋钠基无铝压电陶瓷粉体的制备中，该方法得到了广泛的应用，在实际的制备中熔盐法的操作比较简单，在成分以及形貌的控制上都具备优势，能够高效制备合成产物。在熔盐法的合成过程中，能够将反应物处于液相的介质中，更好地增加反应物的扩散速度并提升合成效率。

1.2.1 试验仪器及原料

在熔盐法的合成过程中，需要借助箱式电阻炉、电热鼓风干燥箱、超声波期清洗器、真空泵以及扫描电子显微镜等仪器，需要使用的试验原料有碳酸钠、碳酸锂、碳酸钾、二氧化钛、氯化钾、氯化钠和三氧化二铋。

1.2.2 试验过程

熔盐法制备钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的粉体的流程图如图2所示。

图2 熔盐法的制备流程图

计算和称量：在制备之前首先需要计算原料，在得出计算结果之后用电子天平秤进行称取，其中需要3∶1的氯化钾和氯化钠，每种原料的质量需要精确到0.0001g。

球磨：将原料进行球磨处理，在处理的过程中需要借助无水乙醇，其中原料与无水乙醇的质量比控制在1∶1.3，球磨的时间大约在3小时左右。

干燥：为了更好地去除原料中的无水乙醇，需要采用电热鼓风干燥箱来进行干燥处理，干燥的温度须控制在60℃，时间在6个小时。

煅烧：当煅烧干燥后的原料时，需要将其放置在不同的温度下进行，该试验中选择了650℃、675℃和700℃这3个温度，在煅烧之后随炉进行冷却。

后处理：在得到预制的产物之后，为了更好地提升粉体的质量，需要清除其中的氯化钠和氯化钾，采用抽滤的方式用离子水清洗煅烧得到的产物。等到清洗完成之后，将产物在干燥箱干燥24h即可得到需要制备的粉体。

1.2.3 试验结果

1.2.3.1 XRD的物相结果分析

在保温2h的条件下，根据不同温度下借助熔盐法得到的钛酸铋钠基无铝压电陶瓷粉体的XRD的物相结果可以发现，不同温度下的主要特征峰基本相似，并且都具有杂物氧化铋的特征峰，随着温度的升高可以发现氧化铋减少，确定熔盐法进行钛酸铋钠基无铝压电陶瓷粉体的制备温度为700℃。

在700℃温度和2h、4h的保温条件下，随着反应时间的增加，氧化铋的特征峰明显减少，也就证明了反应时间的增加会降低氧化铋的杂质，确定熔盐法进行钛酸铋钠基无铝压电陶瓷粉体的保温时间为4h。

1.2.3.2 SEM形貌分析

通过熔盐法得到粉体之后，通过显微镜观察分析粉体的形貌，发现所有的晶体均完整且晶粒尺寸均匀。通过熔盐法得出的粉体观察到的晶粒非常清晰，没有过多杂质。通过熔盐法来进行钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的粉体的制备能够得到更高纯度的粉体。

2 钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的粉体的性能

2.1 陶瓷样品的极化条件与压电性能

在钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备中极化环节十分重要，在制备过程中需要选择合适的极化条件才能够更好地提升材料的压电性能。该研究综合考量钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的粉体制备的极化电压、温度和时间等因素，选择了更科学的极化条件。

2.1.1 极化电压对压电性能的影响

不同的极化电压会影响压电性能，在进行钛酸铋钠的制备中，得出了表1中的极化电压与压电性能影响的数据。可以发现当极化电压为3.5kV/mm时，这时压电性能很低，当极化电压达到4.5kV/mm时，就能够获得较好的压电性能，当极化电压继续增大时，压电性能没有得到很大提升。但是在钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备中，得出表2中极化电压与压电性能影响的数据，可以发现当极化电压达到3.5kV/mm时，能够获得较好的压电性能。同时研究了固相法的制备方法，发现极化电压与压电性能呈现的特征是一样的，在钛酸铋钠和钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备中，都是在4.5kV/mm和3.5kV/mm就能够获得较好的压电性能。在钛酸铋钠基无铅压电陶瓷制备中的极化电压选择3.5kV/mm[6]。

表1 钛酸铋钠制备中极化电压对压电性能的影响

表2 钛酸铋钠基无铅压电陶瓷制备中极化电压对压电性能的影响

2.1.2 极化温度对压电性能的影响

在极化温度对压电性能影响的研究中发现，当钛酸铋钠的极化温度为80℃～90℃时，压电性能最佳。当钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的极化温度为80℃～120℃时，能够达到较好的压电性能，随着温度的升高，在140℃之后压电性能出现下降。在进行钛酸铋钠基无铅压电陶瓷制备中应当选择合适的极化温度，更好地为样品制备的压电性能带来保障。

在采用固相法制备钛酸铋钠以及钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的过程中发现，极化温度与压电性能之间的影响关系与熔盐法具有相同的特征，不同的是在固相法进行钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备过程中，当温度达到110℃时压电性能出现下降趋势，通过对比可以发现，采用熔盐法进行钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备过程中极化温度的选择将更广泛。在进行钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备中选择的极化温度为80℃～120℃。

2.1.3 极化时间对压电性能的影响

在极化时间对压电性能影响的研究中得出了表3中极化时间与压电性能影响的数据，可以发现当极化时间在20min时，压电性能能够达到较好的效果。分析固相法的极化时间与压电性能可知，其熔盐法表现出的关系特征相同。在该文的钛酸铋钠基无铅压电陶瓷制备中，选取的极化时间为20min。

表3 钛酸铋钠基无铅压电陶瓷制备中极化电压对压电性能的影响

2.2 陶瓷样品的压电性能测试

在对钛酸铋钠基无铅压电陶瓷制备的过程中，选取了最佳的极化条件，其中极化温度为80℃、时间为20min、极化电压分别为4.5kV/mm和3.5kV/mm。得出的结果是，在相同配比的情况下，利用熔盐法进行钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备，得出的压电性能要比固相法更好，得出的粉体的质量及性能都更优秀。在进行钛酸铋钠基无铅压电陶瓷粉体的制备中，可以选择熔盐法来进行。

3 结论

综上所述，该文通过研究得出了熔盐法以及固相法制备的粉体的条件及性能。其中固相法的制备技术需要在850℃保温2h的条件下进行，这种方法可以得到较为完善的晶体，但是存在晶体尺寸不均匀的现象，并且制备的粉体中杂质较多。熔盐法的制作过程需要在700℃保温4h下进行，这种制备技术得到的晶体尺寸较为完整且杂质很少。分析熔盐法以及固相法的制备极化条件，通过研究得出了极化的最佳条件为极化时间20min、极化温度80℃～90℃、极化电压3.5kV/mm，这时得到的粉体能够获得最佳的压电性能，并且熔盐法的压电性能要比固相法更优秀。