一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末与浆料及其制备工艺
阅读说明：本技术 一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末与浆料及其制备工艺 (Potassium-sodium niobate-based leadless piezoelectric ceramic powder and slurry and preparation process thereof ) 是由 龚文 徐高翅 吴超峰 于 2020-06-12 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种用于光固化3D打印的一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末与浆料及其制备工艺,采用锂、钡、钙、钛和钴元素进行掺杂,获得改性的铌酸钾钠基压电陶瓷粉末；采用光引发剂、光敏树脂、分散剂、消泡剂在搅拌机预混合获得各组分均匀的树脂混合液；获得的改性铌酸钾钠基压电陶瓷粉末和树脂混合液搅拌机预混合,然后在球磨机充分混合,最后在真空脱泡机抽真空脱泡,从而得到成分均匀的、粘度适中的、光固化活性高的无铅压电陶瓷浆料。该浆料适用于光固化陶瓷3D打印机,可成型的各种复杂形状的,优异的压电性能和高致密度的无铅压电陶瓷元器件。(The invention provides potassium-sodium niobate-based leadless piezoelectric ceramic powder and slurry for photocuring 3D printing and a preparation process thereof, wherein lithium, barium, calcium, titanium and cobalt elements are adopted for doping to obtain modified potassium-sodium niobate-based piezoelectric ceramic powder; pre-mixing a photoinitiator, photosensitive resin, a dispersant and a defoaming agent in a stirrer to obtain a resin mixed solution with uniform components; the obtained modified potassium sodium niobate-based piezoelectric ceramic powder is premixed with a resin mixed solution stirrer, then fully mixed in a ball mill, and finally vacuumized and defoamed in a vacuum defoaming machine, so that the lead-free piezoelectric ceramic slurry with uniform components, moderate viscosity and high photocuring activity is obtained. The slurry is suitable for photocuring ceramic 3D printers, and can be used for forming lead-free piezoelectric ceramic components with various complex shapes, excellent piezoelectric performance and high density.)
技术领域
本发明涉及光固化陶瓷3D打印领域，尤其涉及一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末和浆料及其制备工艺。
背景技术
光固化陶瓷3D打印技术而近年来日益成熟，，并且3D打印具有操作简单、加工速度快、成型精度高等优点，可不需要模具的前提下成型结构复杂陶瓷产品。光固化陶瓷3D打印技术，正在越来越广泛地应用到陶瓷产品的制备当中。
压电材料目前广泛应用到智能电子产品，无人机，机器人和无人驾驶等领域，市场前景巨大。而目前各行业使用的压电材料，锆钛酸铅（PZT）基压电材料占据了大部分的份额，然而由于铅（Pb）元素对人体和环境有害，开发新的无铅压电材料成为必不可挡的趋势。铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，通过参杂其他元素，得到改性的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其压电性能表现优异，同时参杂元素可获得高致密度的压电材料。作为环境友好的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料有望逐渐取代锆钛酸铅（PZT）基压电材料，成为主要的压电材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷浆料和粉末及其制备工艺，以解决背景技术中所提出的问题。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末，其化学组成为：
(1-x)(K1-a-bNabLia)NbO3+x(Ba0.6Ca0.4)TiO3+yCo2O3；所述a，b，x，y为摩尔百分比，0<a≤0.1，0.3≤b≤0.5，0.1≤x≤0.2，0<y≤1%。
一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷浆料，其成分是：包括上述的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末和光敏树脂混合液；铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末的重量占浆料总重量的70%-85%，光敏树脂混合液的重量占浆料总重量的15%-30%。
进一步地，所述光敏树脂混合液的组成包括：光引发剂、分散剂、消泡剂和光敏树脂。
进一步地，所述光敏树脂混合液按照重量百分比记包括：光引发剂1%-3%，分散剂4%-8%，消泡剂2%-4%，光敏树脂85%-93%。
进一步地，所述光引发剂为双 （2，4，6-三甲基苯甲酰基）苯基氧化膦。
进一步地，所述光敏树脂为聚氯酯(甲基)丙烯酸酯、聚酯( 甲基)丙烯酸酯中的一种或者多种的混合液体。
进一步地，所述分散剂为柠檬酸三胺（TAC）。
进一步地，所述消泡剂为乙二醇。
本发明还包括铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末的制备工艺，包括以下步骤：
（1）原材料粉末预处理：将碳酸钾、碳酸钠、五氧化二铌、碳酸钡、碳酸钙、二氧化钛和三氧化二钴粉末放入培养皿，置于干燥箱内，在100-150℃下保温2-4h；
（2）原材料粉末混合：根据权利要求1所述化学组成配比称量预处理后的原料，分散于纯水中，在球磨机混合均匀后烘干，制成预混粉；
（3）混合粉末预烧：将预混粉置于箱式炉中连续升温至800-1200℃，保温4-8h，降温至室温后大理石研钵研磨，进一步过筛，得到改性铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉体；
（4）预烧粉末球磨：将预烧后的改性铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉体分散于纯水中，在球磨机混合均匀后烘干，获得大小均匀的改性铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末。
本发明还包括铌酸钾钠基无铅压电陶瓷浆料的制备工艺，所述铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末和光敏树脂混合液按比例混合，在机械搅拌机上搅拌，进一步在球磨机充分混合，进一步在真空脱泡机抽真空脱泡，最后得到铌酸钾钠基无铅压电陶瓷浆料。
本发明的有益效果为：本发明提出一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷浆料及其制备工艺，采用锂、钡、钙、钛和钴元素进行掺杂，获得改性的铌酸钾钠基压电陶瓷粉末；采用光引发剂、光敏树脂、分散剂、消泡剂在搅拌机预混合获得各组分均匀的树脂混合液；获得的改性铌酸钾钠基压电陶瓷粉末和树脂混合液充分混合，最后抽真空脱泡，从而得到成分均匀的、粘度适中的、光固化活性高的无铅压电陶瓷浆料。该浆料适用于光固化陶瓷3D打印机，可成型的各种复杂形状的，优异的压电性能和高致密度的无铅压电陶瓷元器件。
附图说明
图1为本发明的制备工艺流程图。
具体实施方式
本具体实施例仅是对本发明做进一步说明，并不限制本发明的保护范围。本领域人员所做的任何在权利要求书的范围内的实例，都属于本专利的保护范围。
实施例一
将原材料粉末碳酸钾、碳酸钠、五氧化二铌、碳酸钡、碳酸钙、二氧化钛和三氧化二钴粉末放入培养皿，置于干燥箱内，在120℃下保温2h。
按照化学组成
0.9(K0.4Na0.5Li0.1)NbO3+0.1(Ba0.6Ca0.4)TiO3+1%Co2O3配比称量预处理后的原料，分散于纯水中，原材料粉末与纯水的体积比为1：1.2；在行星球磨机上转速为500rpm，研磨时间为5小时；进一步地置于干燥箱内，在130℃下保温4h，得到烘干的成分均匀的预混粉。
将预混粉置于箱式炉中连续升温至1050℃，保温8h，降温至室温；进一步地，使用大理石研钵研磨预烧粉体，过筛100目，得到改性铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉体。
将预烧后的改性铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉体分散于纯水中，预烧粉末与纯水的体积比为1：1.2；在行星球磨机上转速为500rpm，研磨时间为6小时；进一步地置于干燥箱内，在130℃下保温4h，得到烘干的成分均匀的改性铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末。
光引发剂为双 （2，4，6-三甲基苯甲酰基）苯基氧化膦，占光敏树脂混合液重量的2%，分散剂为柠檬酸三胺（TAC），占光敏树脂混合液重量的5%，消泡剂为乙二醇，占光敏树脂混合液重量的3%，剩余的光敏树脂为聚氯酯(甲基)丙烯酸酯，占光敏树脂混合液重量的90%。
铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末和光敏树脂混合液按比例85：15混合，在机械搅拌机上搅拌，转速为450rpm，搅拌时间为4小时；进一步在行星球磨机上转速为500rpm，研磨时间为8小时；进一步在真空脱泡机抽真空脱泡，最后得到铌酸钾钠基无铅压电陶瓷浆料。
所得浆料用于光固化3D打印机成型各种复杂结构的无铅压电材料产品，压电材料的压电常数d33到达278pC/N，致密度达到96.2%。
实施例二
将原材料粉末碳酸钾、碳酸钠、五氧化二铌、碳酸钡、碳酸钙、二氧化钛和三氧化二钴粉末放入培养皿，置于干燥箱内，在130℃下保温1.5h。
按照化学组成
0.85(K0.55Na0.4Li0.05)NbO3+0.15(Ba0.6Ca0.4)TiO3+0.8%Co2O3配比称量预处理后的原料，分散于纯水中，原材料粉末与纯水的体积比为1：1；在行星球磨机上转速为600rpm，研磨时间为3.5小时；进一步地置于干燥箱内，在140℃下保温2.5h，得到烘干的成分均与的预混粉。
将预混粉置于箱式炉中连续升温至1135℃，保温7h，降温至室温；进一步地，使用大理石研钵研磨预烧粉体，过筛120目，得到改性铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉体。
将预烧后的改性铌酸钾钠基无铅压电陶瓷分散于纯水中，预烧粉末与纯水的体积比为1：1；在行星球磨机上转速为600rpm，研磨时间为4小时；进一步地置于干燥箱内，在140℃下保温3h，得到烘干的成分均匀的改性铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末。
光引发剂为双 （2，4，6-三甲基苯甲酰基）苯基氧化膦，占光敏树脂混合液重量的2.5%，分散剂为柠檬酸三胺（TAC），占光敏树脂混合液重量的6%，消泡剂为乙二醇，占光敏树脂混合液重量的4%，剩余的光敏树脂为聚酯( 甲基)丙烯酸酯，占光敏树脂混合液重量的87.5%。
铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末和光敏树脂混合液按比例80：20混合，在机械搅拌机上搅拌，转速为500rpm，搅拌时间为3.5小时；进一步在行星球磨机上转速为600rpm，研磨时间为10小时；进一步在真空脱泡机抽真空脱泡，最后得到铌酸钾钠基无铅压电陶瓷浆料。
所得浆料用于光固化3D打印机成型各种复杂结构的无铅压电材料产品，压电材料的压电常数d33约为285pC/N，致密度达到95.3%。
实施例三
一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末，其化学组成为： (1-x)(K1-a-bNabLia)NbO3+x(Ba0.6Ca0.4)TiO3+yCo2O3；所述a，b，x，y为摩尔百分比，0<a≤0.1，0.3≤b≤0.5，0.1≤x≤0.2，0<y≤1%。
一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷浆料，其成分是：铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末和光敏树脂混合液；铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末的重量占浆料总重量的70%-85%，光敏树脂混合液的重量占浆料总重量的15%-30%。
光敏树脂混合液的组成包括：光引发剂、分散剂、消泡剂和光敏树脂；光敏树脂混合液按照重量百分比记包括：光引发剂1%-3%，分散剂4%-8%，消泡剂2%-4%，光敏树脂85%-93%；光引发剂为双 （2，4，6-三甲基苯甲酰基）苯基氧化膦；光敏树脂为聚氯酯(甲基)丙烯酸酯、聚酯( 甲基)丙烯酸酯中的一种或者多种的混合液体；分散剂为柠檬酸三胺（TAC）；消泡剂为乙二醇。
铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末的制备工艺，包括以下步骤：
（1）原材料粉末预处理：将碳酸钾、碳酸钠、五氧化二铌、碳酸钡、碳酸钙、二氧化钛和三氧化二钴粉末放入培养皿，置于干燥箱内，在100-150℃下保温2-4h。
（2）原材料粉末混合：根据权利要求1所述化学组成配比称量预处理后的原料，分散于纯水中，原材料粉末与纯水的体积比为1：（0.8-1.5）；在行星球磨机上转速为300-600rpm，研磨时间为4-12小时；进一步地置于干燥箱内，在100-150℃下保温2-4h，得到烘干的成分均匀的混合粉末。
（3）混合粉末预烧：将预混粉置于箱式炉中连续升温至800-1200℃，保温4-8h，降温至室温；进一步地，大理石研钵研磨粉体，过筛（60目-200目），得到改性铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉体。
（4）预烧粉末球磨：将预烧后的改性铌酸钾钠基无铅压电陶瓷分散于纯水中，预烧粉末与纯水的体积比为1：（0.8-1.5）；在行星球磨机上转速为300-600rpm，研磨时间为4-12小时；进一步地置于干燥箱内，在100-150℃下保温2-4h，得到烘干的成分均与的改性铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末。
光敏树脂混合液的制备工艺为：光敏树脂混合液的组成按照比例混合，置于烧杯中在磁力搅拌器上混合，转速为200-450rpm，搅拌时间为1-4小时获得均匀的光敏树脂混合液。
铌酸钾钠基无铅压电陶瓷浆料的制备工艺为：所述的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷粉末和光敏树脂混合液按比例混合，在机械搅拌机上搅拌，转速为300-600rpm，搅拌时间为1-4小时；进一步在行星球磨机上转速为300-600rpm，研磨时间为4-12小时；进一步在真空脱泡机抽真空脱泡，最后得到铌酸钾钠基无铅压电陶瓷浆料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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