一种钒磷酸铅陶瓷材料及其制备方法与应用
文献发布时间：2023-06-19 16:04:54
技术领域
本发明涉及一种钒磷酸铅陶瓷材料及其制备方法与应用，属于陶瓷材料技术领域。
背景技术
光致伸缩效应通常指材料在光照下产生非热形变的现象。这种效应能够将光能直接转化为机械能，在光机电领域具有潜在的应用前景。在外界激励下能够产生可逆形状变形的材料被广泛用于微机电系统中致动器的设计与开发。随着未来微机电系统小型化和轻量化的发展趋势，新型无线化和远程控制致动系统的开发将成为关键，而基于光致伸缩材料的光驱致动器有望实现这一愿景。
目前，研究人员已经相继在半导体材料、铁电材料、有机高分子材料、有机无机杂化钙钛矿材料等多种材料体系中发现光致伸缩效应。研究发现不同材料体系的光致伸缩效应的产生机理各不相同。虽然高分子材料在光照下能够产生明显的形变，但其刚性不足而具备柔软性且光致形变响应较慢，不适合微机电系统的致动应用。相比之下，以Pb(Zr,Ti)O
从材料设计的角度出发，常用来开发具有较大光致应变材料的策略包括：电子-声子耦合、光异构化、光伏诱导拟压电效应、光诱导畴演化以及不可避免光诱导热膨胀等。这些方法都能有效地诱导特定材料体系的光致伸缩效应，但开发具有较大光致应变的材料仍是一个巨大的挑战。
发明内容
为了解决现有无机光致伸缩材料光致应变小的技术问题，本发明提供一种钒磷酸铅陶瓷材料及其制备方法和应用。所述钒磷酸铅陶瓷材料在一定光强的紫外光和可见光照射下展现出显著的光致应变，优于传统的光致伸缩陶瓷材料，具有良好的作为光驱致动器件的应用前景。
第一方面，本发明提供一种钒磷酸铅陶瓷材料。所述钒磷酸铅陶瓷材料的组成为Pb
较佳地，0＜x≤0.4。通过引入P元素降低其一级相变温度，从而能够在较弱的激励光强下产生大的光致应变。优选地，0＜x＜0.4。更优选地，0.1≤x≤0.2。此时能够保证将陶瓷的一级相变温度降低至接近室温，促使其在弱激励光强作用下的大光致应变，同时保证陶瓷组分具有纯相结构。
较佳地，所述钒磷酸铅陶瓷材料在室温以上的相转变温度优选40-100℃发生相变而从单斜晶相转变为菱方晶相。P原子取代V原子，能够降低其相变温度，随着P原子含量增加，相变温度逐渐降低，而伴随着相变温度的降低，能够促使在较弱的激励光强下发生光致相变，一级相变导致体积发生非连续变化，从而产生大的应变。
较佳地，所述钒磷酸铅陶瓷材料的光致应变为0.01-0.4％。
第二方面，本发明提供一种钒磷酸铅陶瓷材料组合物，包括上述任一项所述的钒磷酸铅陶瓷材料的两种以上。
第三方面，本发明提供一种钒磷酸铅陶瓷材料的制备方法。所述制备方法包括：采用传统固相反应法制备Pb
较佳地，按照化学通式Pb
较佳地，预烧温度为600-700℃，预烧时间为2-4小时。
较佳地，所述烧结为放电等离子烧结，烧结温度为650-800℃，压力30-40MPa，保温时间为3-10分钟。
第四方面，本发明提供上述任一项所述的钒磷酸铅陶瓷材料或者钒磷酸铅陶瓷材料组合为作为光致伸缩材料的应用。
有益效果：
(1)本发明所提供的钒磷酸铅陶瓷材料，通过调节V和P的配比，能够有效降低其一级相变温度。
(2)本发明所提供的钒磷酸铅陶瓷材料，在特定光强的紫外和可将光照射下能够诱导结构相变。
(3)本发明所提供的钒磷酸铅陶瓷材料，在特定光强的紫外和可将光照射下产生较大的光致应变，其光致应变输出大于传统的光致伸缩材料，能够媲美常见压电材料的场致应变输出，为光驱致动器件的实际应用提供依据。
附图说明
图1为钒磷酸铅陶瓷材料的制备流程图；
图2为Pb
图3为Pb
图4为Pb
图5为Pb
图6为Pb
具体实施方式
通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。在没有特殊说明的情况下，各百分含量指质量百分含量。
本发明开发一种新型的钒磷酸铅陶瓷材料(钒磷酸铅陶瓷光致伸缩材料)。所述钒磷酸铅陶瓷材料的化学组成为Pb
上述钒磷酸铅陶瓷材料在紫外和可见光照射下的光致应变为0.01-0.4％。钒磷酸铅陶瓷材料的光致应变性能使其具有良好的作为光致伸缩材料的应用前景。
本发明还提供一种钒磷酸铅陶瓷材料组合物，包含钒磷酸铅陶瓷材料Pb
以下示例性说明本发明所述钒磷酸铅陶瓷材料的制备方法。
采用传统固相烧结法制备钒磷酸铅陶瓷粉体。按照化学通式Pb
作为示例，按照化学式Pb
利用放电等离子体法将钒磷酸铅陶瓷粉体进行烧结。相较传陶瓷烧结方法，放电等离子体法能够在较低的温度的快速获得高度致密化的陶瓷块体材料。应理解，传统烧结方式如无压烧结、热压烧结、普通烧结制备的Pb
作为优选，烧结前将预烧后的Pb
本发明所述制备方法制得的钒磷酸铅陶瓷材料，拥有致密的微观形貌，最重要的是高具有光致应变输出。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。如无特别说明，下述使用的原料均通过商业途径购买。
实施例1
本实施例提供了一种钒磷酸铅陶瓷材料，组成用下式表示：Pb
步骤一：以纯度为99％以上的分析纯PbO和V
步骤二：将称量好的PbO和V
步骤三：球磨得到的混合浆料倒入玻璃培养皿中，然后置于70℃烘箱中保温12小时除去无水乙醇。取出干燥后的混合粉体备用，并在研钵中研磨均匀。
步骤四：研磨后的粉体放入氧化铝坩埚于马弗炉中在600℃预烧2小时。
步骤五：用研钵将预烧后的粉体研细之后，再次球磨。球磨的方法同步骤二。
步骤六：将球磨后的粉体烘干并研磨。方法同步骤三。研磨后的粉体过200目筛。
步骤七：然后取0.5g研磨后的粉体放入石墨模具，置于放电等离子烧结炉烧结，烧结温度为650℃，压力30MPa，保温时间5分钟，获得Pb
将制得的Pb
图2所示为Pb
图3所示为Pb
图4所示为Pb
实施例2
本实施例提供了一种钒磷酸铅陶瓷材料，组成用下式表示：Pb
步骤一：以纯度为99％以上的分析纯PbO、V
步骤二：将称量好的PbO、V
步骤四：研磨后的粉体放入氧化铝坩埚于马弗炉中在650℃预烧2小时。
步骤五：用研钵将预烧后的粉体研细之后，再次球磨。球磨的方法同步骤二。
步骤六：将球磨后的粉体烘干并研磨。方法同步骤三。研磨后的粉体过200目筛。
步骤七：然后取0.5g粉体放入石墨模具，置于放电等离子烧结炉烧结，烧结温度为700℃，压力30MPa，保温时间5分钟，获得Pb
将制得的Pb
图5所示为Pb
图6所示为Pb
实施例3
本实施例提供了一种钒磷酸铅陶瓷材料，其组成用下式表示：Pb
步骤一：以纯度为99％以上的分析纯PbO、V
步骤二：将称量好的PbO、V
步骤四：研磨后的粉料放入氧化铝坩埚于马弗炉中在700℃预烧2小时。
步骤五：用研钵将预烧后的粉体研细之后，再次球磨。球磨的方法同步骤二。
步骤六：将球磨后的粉体烘干并研磨。方法同步骤三。研磨后的粉体过200目筛。
步骤七：然后取0.5g粉体放入石墨模具，置于放电等离子烧结炉烧结，烧结温度为750℃，压力40MPa，保温时间8分钟，获得Pb
将制得的Pb
图6所示为Pb
实施例4
本实施例提供了一种钒磷酸铅陶瓷材料，其组成用下式表示：Pb
步骤一：以纯度为99％以上的分析纯PbO、V
步骤二：将称量好的PbO、V
步骤四：研磨后的粉料放入氧化铝坩埚于马弗炉中在700℃预烧2小时。
步骤五：用研钵将预烧后的粉体研细之后，再次球磨。球磨的方法同步骤二。
步骤六：将球磨后的粉体烘干并研磨。方法同步骤三。研磨后的粉体过200目筛。
步骤七：然后取0.5g粉体放入石墨模具，置于放电等离子烧结炉烧结，烧结温度为750℃，压力40MPa，保温时间8分钟，获得Pb
将制得的Pb
图6所示为Pb
上述几个实施例仅为阐明本申请专利所做举例，并非对实施方式的限制。任何本领域的专业技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，在本发明的基础和原则之内所做的任何修改、替代或改进均应包含在本发明保护范围内。