本發明涉及壓電納米材料領域，具體是一種鈮酸鉀鈉體系納米線材料及其制備方法。

背景技術：

納米技術作為21世紀一個重要新興科技領域，在理論與實踐上正經歷著高速發展，大量新型納米材料與器件不斷被開發出來, 并在生物醫學、國防以及日常生活的各個領域展現前所未有的應用前景。將基于壓電效應的納米材料技術用到納米發電機、THz通信、生物醫學傳感器等方面正受到國際上極大的關注。特別是納米發電機，《Science》、《Advance materials》雜志給予了專門報道。在有關納米壓電材料的應用上，鈮酸鉀鈉體系具有綜合性能優異的優勢，如壓電系數、機電耦合系數和居里溫度高及組成元素對人類友好，這在作為植入人體的生物醫療器械方面尤為重要。

從壓電式納米換能器的效率方面來講，除了在一定程度上受系統集成組裝的質量影響外，最主要的影響因素應該是其核心部件—壓電材料的壓電性能，高壓電系數的壓電材料將表現出更高的壓電性能。事實上，除了ZnO外，還包括現在應用最多的鉛基壓電陶瓷（如PZT），以及目前研究很熱的幾類無鉛壓電材料（如鈮酸鉀鈉體系、鈦酸鋇鉀鈉體系等），后面這幾類壓電材料的壓電性能都遠高于ZnO。當然，由于鉛基壓電陶瓷含鉛且含鉛量高于60%（質量比）不利于人類環境保護而即將被淘汰，特別是作為植入人體的醫療器械，更不應該采用。作為替代，無鉛壓電材料的研究及盡早開發自然十分迫切。比較目前研究比較熱的幾類無鉛壓電材料，鈮酸鉀鈉體系由于具有很好綜合性能優勢，如高的壓電系數、高的機電耦合系數、高的居里溫度和組成元素對人類友好，而成為首選材料之一。

目前，無鉛壓電材料研究報道最多的是塊體陶瓷材料，但是在微納技術領域則恰恰需要相應的具有微納米尺寸的材料，例如在微型馬達、生物醫藥傳感器、監控、生物活體探測和太赫茲波通信等方面。從上述研究報道來看，目前針對鈮酸鉀鈉納米線的制備方法主要有模板生長法、水熱法、溶膠-凝膠法、熔鹽法和靜電紡絲法等。雖然每種方法各有優點，但也各自存在一些問題。

模板生長法可以采用AAO、碳納米管、分子篩和硅納米線等模板進行輔助生長，具有納米線排列可控、對材料結構限制少等優點，但是存在所制備的納米線通常是多晶，不易獲得單晶，且產物中因模板的存在易引入雜質的技術問題。

水熱法和溶膠-凝膠法等液相法具有低溫、低成本優勢，及產量高和均勻性好等優點，但是存在產物長徑比較低、尺寸較大，工藝復雜且產物純度不高的技術問題。此外，水熱法還存在只能用于制備對水或溶劑不敏感的化合物的技術問題。

此外，如果不結合使用模板生長法而單純采用液相法，生長出來的鈮酸鉀鈉納米線則雜亂無章排列。

迄今為止，有關鈮酸鉀鈉體系，特別是99.6K_0.5Na_0.5NbO₃-0.4LiBiO₃體系納米線的固相制備技術還沒有相關報道。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種鈮酸鉀鈉體系納米線材料及其制備方法。針對現有技術存在的技術問題，本發明采用傳統的固相燒結法，在不需要額外提供氣相、異質模板和催化劑的的條件下，實現鈮酸鉀鈉體系納米線的可控生長，使合成的鈮酸鉀鈉體系納米線直接從同質基體中生長，不引入外界雜質，實現產物的純潔。

為了實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為：

一種鈮酸鉀鈉體系納米線材料，是以Na₂CO₃、K₂CO₃、Li₂CO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃為原料，按照化學式99.6K_0.5Na_0.5NbO₃-0.4LiBiO₃進行配料，經傳統陶瓷固相燒結工藝燒制而成的納米線材料。

鈮酸鉀鈉體系納米線材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟（1）所有原料Na₂CO₃、K₂CO₃、Li₂CO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃在稱量配料前均置于烘箱中烘干，所述烘干的溫度為120℃；

步驟（2）按化學式99.6K_0.5Na_0.5NbO₃-0.4LiBiO₃的成分質量比稱量原料，裝入球磨瓶中，以無水乙醇為介質球磨24 h；

步驟（3）將球磨后產物取出，烘干，預燒，所述預燒的溫度為850℃，預燒的時間為6 h，預燒的升溫速率為2℃/min；

步驟（4）然后再以無水乙醇為介質球磨24h后烘干；

步驟（5）將烘干的粉料過100目篩后，在100 MPa的壓力下壓制成直徑26 mm，2 mm厚的圓坯；

步驟（6）將壓制好的圓坯固相燒結，在燒結體中獲得鈮酸鉀鈉體系納米線材料，所述燒結的溫度為1100℃，燒結時的保溫時間為18h。

本發明鈮酸鉀鈉體系納米線材料經SEM電鏡檢測證實為納米線結構。

本發明相對于現有技術，具有以下優點：

（1）采用傳統的固相燒結法，在不需要額外提供氣相的條件下，實現鈮酸鉀鈉體系納米線的可控生長；

（2）使合成的鈮酸鉀鈉體系納米線直接從同質基體中生長，不需要異質模板和催化劑，不會引入外界雜質，產物純潔；

（3）在此方法制備的基礎上，也可以利用化學拓撲法通過后續的液相、水熱或氣相輔助生長繼續調控鈮酸鉀鈉體系納米線的長徑比。

此外，實驗研究顯示，本發明技術關鍵在于化學成分、燒結工藝（特別是燒結溫度）和實驗環境等因素的精確控制。通過調控，可以實現99.6K_0.5Na_0.5NbO₃-0.4LiBiO₃體系納米線的制取。本發明方法合成的鈮酸鉀鈉體系納米線后，將可能賦予它新的特性或功能，從而拓展鈮酸鉀鈉體系納米線的應用范疇，因此，本發明具有廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1為實施例中制備的鈮酸鉀鈉體系納米線材料的SEM圖。

具體實施方式

本發明通過實施例，結合說明書附圖對本發明內容作進一步詳細說明，但不是對本發明的限制。

實施例：

鈮酸鉀鈉體系納米線材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟（1）所有原料Na₂CO₃、K₂CO₃、Li₂CO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃在稱量配料前均置于烘箱中烘干，所述烘干的溫度為120℃；

步驟（2）按化學式99.6K_0.5Na_0.5NbO₃-0.4LiBiO₃，即(1-x)K_0.5Na_0.5NbO₃-xLiBiO₃，其中x=0.004的成分質量比稱量原料，裝入球磨瓶中，以無水乙醇為介質球磨24 h；

步驟（3）將球磨后產物取出，烘干，預燒，所述預燒的溫度為850℃，預燒的時間為6 h，預燒的升溫速率為2℃/min；

步驟（4）然后再以無水乙醇為介質球磨24h后烘干；

步驟（5）將烘干的粉料過100目篩后，在100 MPa的壓力下壓制成直徑26 mm，2 mm厚的圓坯；

步驟（6）將壓制好的圓坯固相燒結，在燒結體中獲得鈮酸鉀鈉體系納米線材料，所述燒結的溫度為1100℃，燒結時的保溫時間為18h。

經SEM電鏡檢測，結果如圖1所示，所得鈮酸鉀鈉體系納米線材料為納米線結構。