一种低温烧结单相锆酸铅陶瓷的制备方法

技术领域

本发明涉及一种低温烧结单相锆酸铅陶瓷的制备方法，属于功能陶瓷技术领域。

背景技术

锆酸铅是一类典型的反铁电材料，有着优异的反铁电性能，由于其具有较高的极化强度、低剩余极化、高功率密度等优点，使其在储能、存储、介电、制冷等领域具有良好的应用前景。随着科学技术不断地发展，当今社会对器件的性能和产量等方面的要求也越来越高，因此提升材料的制备工艺不失为一种有利于器件性能提升，不断创新和可持续发展的动力源泉。

目前，锆酸铅陶瓷的制备一般需要在1200～1300℃下进行固相烧结。高温烧结需要耗费大量能源和设备投入，不利于节能环保，且锆酸铅在高温下（800℃以上）就容易挥发，会导致陶瓷靶材的化学计量比产生偏离，使得后续薄膜的制备难度增加，同时烧结时挥发到空气中的PbO也会对环境造成污染，伤害人们的身体健康。而固相法制得的陶瓷成分均匀性差，且难以得到单相靶材，所以高温烧结方法限制了锆酸铅陶瓷在更多领域的应用。当然就有许多人尝试使用化学液相法，通过制备具有高表面能、高烧结活性的纳米级粉体来降低烧结温度，例如化学沉淀法、水热法，但烧结温度仍在900℃以上，而这些方法本身也存在着工艺条件苛刻，重复性差，不易控制反应等许多缺点。因此，在降低锆酸铅陶瓷烧结温度的基础上，同时还能保有其优异的性能，并为制备高质量薄膜打下基础，往器件方向发展，也成了亟待研究的核心问题。

本发明为了解决现有制备锆酸铅陶瓷的以上问题，提出了采用溶胶凝胶法来制备锆酸铅陶瓷。此方法不仅满足了低温烧结的要求，同时在简易的工艺条件下也能高效得到均匀性好的单相锆酸铅陶瓷。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种低温烧结单相锆酸铅陶瓷的制备方法，该方法采用属于化学液相法的溶胶凝胶法制备出的锆酸铅陶瓷，具有均匀性好，纯度高，烧结温度低（600℃左右，低于铅的挥发温度800℃），铅不会挥发，化学计量比可控等优点。因此，这样的低温烧结方法既可以有利于后续性能优异的薄膜制备，又能够有利于节约能源，降低制备成本。

本发明所述的低温烧结单相锆酸铅陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）凝胶制备：按化学计量比称量硝酸铅和硝酸氧锆，加入到去离子水中，再分别加入柠檬酸为螯合剂，乙二醇为分散剂，在80～95℃下加热搅拌得到乳白色溶液，随后加入氨水直至溶液澄清，持续加热搅拌得到均匀的湿胶体；

（2）干胶制备：将步骤（1）中所得湿胶体放入烘箱中进行发泡和烘干，得到干燥胶体；

（3）初烧工艺：将步骤（2）中所得的干燥胶体研磨成粉末，把粉末均匀平铺于坩埚中，进行初次烧结，得到锆酸铅前驱物粉末；

（4）粉体压片：将步骤（3）中所得的前驱物粉末放入模具中预压片，随后使用冷等静压机进行二次压片，得到靶材胚体；

（5）终烧工艺：将步骤（4）中所得的靶材胚体进行低温烧结，最终得到锆酸铅陶瓷靶材。

优选的，本发明所述步骤（1）中所使用的铅/锆摩尔比为1：1～1.1：1。

优选的，本发明所述步骤（2）中的烘箱温度为200～250℃，干燥时间为8～15h。

优选的，本发明所述步骤（3）中初次烧结温度为370℃～400℃，烧结时间为6～8h，在空气气氛下烧结。

优选的，本发明所述步骤（4）中的预压片压力值为3～10MPa，受压时间为5～20min；冷等静压机压力值为150～200MPa，受压时间为5～20min。

优选的，本发明所述步骤（5）中低温烧结温度为570～620℃，烧结时间为6～10h，在空气气氛下烧结。

本发明的有益效果是：

本发明使用了溶胶凝胶法制备锆酸铅陶瓷，与现有技术相比，大大降低了陶瓷的烧结温度，在低温下烧结就能得到单相锆酸铅陶瓷；且陶瓷粒径均匀，致密度良好，化学计量比未偏离初始值，可作为磁控溅射法、激光脉冲沉积法等薄膜生长所需靶材的优选制备方法，更易于制备出性能优异的薄膜，存在极大的潜在应用价值。同时，本发明工艺流程和所需设备简单，制备效率高，低温烧结工艺能够节约能源，使得生产成本进一步降低，有望推广到工业上进行批量生产。

附图说明

图1为实施例3陶瓷靶材的XRD图谱；

图2为实施例3陶瓷靶材的SEM图像；

图3为对比例1陶瓷靶材的XRD图谱；

图4为对比例1陶瓷靶材的SEM图像；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述，这些实施例只是由于实例性说明的目的，而并非用于限定本发明。

实施例1

本实施例所述的低温烧结单相锆酸铅陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）凝胶制备：按铅/锆摩尔比为1.1：1称量硝酸铅和硝酸氧锆，加入到去离子水中，再分别加入柠檬酸为螯合剂，乙二醇为分散剂，在95℃下加热搅拌得到乳白色溶液，随后加入氨水直至溶液澄清，持续加热搅拌得到均匀的湿胶体；

（2）干胶制备：将步骤（1）中所得湿胶体放入烘箱中进行发泡和烘干，烘箱温度为250℃，干燥时间为15h，最后得到干燥胶体；

（3）初烧工艺：将步骤（2）中所得的干燥胶体研磨成粉末，把粉末均匀平铺于坩埚中，进行初次烧结，烧结温度为400℃，烧结时间为8h，在空气气氛下烧结，得到锆酸铅前驱物粉末；

（4）粉体压片：将步骤（3）中所得的前驱物粉末放入模具中预压片，压力值为10MPa，受压时间为20min，随后使用冷等静压机进行二次压片，压力值为200MPa，受压时间为20min，得到靶材胚体；

（5）终烧工艺：将步骤（4）中所得的靶材胚体进行低温烧结，烧结温度为620℃，烧结时间为10h，在空气气氛下烧结，最终得到锆酸铅陶瓷靶材。经过XRD测试，本实施例制备的锆酸铅陶瓷为单相。

实施例2

本实施例所述的低温烧结单相锆酸铅陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）凝胶制备：按铅/锆摩尔比为1：1称量硝酸铅和硝酸氧锆，加入到去离子水中，再分别加入柠檬酸为螯合剂，乙二醇为分散剂，在80℃下加热搅拌得到乳白色溶液，随后加入氨水直至溶液澄清，持续加热搅拌得到均匀的湿胶体；

（2）干胶制备：将步骤（1）中所得湿胶体放入烘箱中进行发泡和烘干，烘箱温度为200℃，干燥时间为8h，最后得到干燥胶体；

（3）初烧工艺：将步骤（2）中所得的干燥胶体研磨成粉末，把粉末均匀平铺于坩埚中，进行初次烧结，烧结温度为370℃，烧结时间为6h，在空气气氛下烧结，得到锆酸铅前驱物粉末；

（4）粉体压片：将步骤（3）中所得的前驱物粉末放入模具中预压片，压力值为3MPa，受压时间为5min，随后使用冷等静压机进行二次压片，压力值为150MPa，受压时间为5min，得到靶材胚体；

（5）终烧工艺：将步骤（4）中所得的靶材胚体进行低温烧结，烧结温度为570℃，烧结时间为6h，在空气气氛下烧结，最终得到锆酸铅陶瓷靶材。经过XRD测试，本实施例制备的锆酸铅陶瓷为单相。

实施例3

本实施例所述的低温烧结单相锆酸铅陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）凝胶制备：按铅/锆摩尔比为1：1称量硝酸铅和硝酸氧锆，加入到去离子水中，再分别加入柠檬酸为螯合剂，乙二醇为分散剂，在90℃下加热搅拌得到乳白色溶液，随后加入氨水直至溶液澄清，持续加热搅拌得到均匀的湿胶体；

（2）干胶制备：将步骤（1）中所得湿胶体放入烘箱中进行发泡和烘干，烘箱温度为200℃，干燥时间为12h，最后得到干燥胶体；

（3）初烧工艺：将步骤（2）中所得的干燥胶体研磨成粉末，把粉末均匀平铺于坩埚中，进行初次烧结，烧结温度为390℃，烧结时间为8h，在空气气氛下烧结，得到锆酸铅前驱物粉末；

（4）粉体压片：将步骤（3）中所得的前驱物粉末放入模具中预压片，压力值为5MPa，受压时间为5min，随后使用冷等静压机进行二次压片，压力值为150MPa，受压时间为5min，得到靶材胚体；

（5）终烧工艺：将步骤（4）中所得的靶材胚体进行低温烧结，烧结温度为600℃，烧结时间为8h，在空气气氛下烧结，最终得到锆酸铅陶瓷靶材。

本实施例中终烧得到的锆酸铅陶瓷靶材XRD图谱如图1所示，图中显示该陶瓷靶材为单相。

本实施例中终烧得到的锆酸铅陶瓷靶材SEM图谱如图2所示，陶瓷粒径均匀，致密度良好。

对比例1

本对比例中锆酸铅陶瓷靶材的终烧温度为650℃，其他步骤及参数与实施例3相同。

本对比例中终烧得到的锆酸铅靶材XRD图谱如图3所示，图中显示有少量杂相生成。

本对比例中终烧得到的锆酸铅陶瓷靶材SEM图谱如图4所示。