CN101186501B - 一种铌酸盐压电陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种铌酸盐压电陶瓷及其制备方法，涉及压电材料领域，特别涉及铌酸盐无铅压电陶瓷的制备。压电陶瓷的组成为(1-x)(Na0.5+yK0.5+y)NbO3-xBiScO3，式中x、y表示相应的组分所占摩尔数，其中0.0＜x＜0.02且0.02＜y＜0.05。本发明采用快速升温工艺，将陶瓷生坯以2-8℃/min升温至600℃保温一小时进行排胶，然后以10-20℃/min的速度升温至1000～1200℃，烧结1～10小时。通过掺杂和快速升温工艺结合制得的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷，有效地提高了压电性能并保持了高的居里温度。

Description

一种铌酸盐压电陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及压电材料领域，特别涉及铌酸盐无铅压电陶瓷的制备。
背景技术
压电陶瓷广泛应用于电子、通讯、航天、军事等领域。然而目前大规模使用的压电陶瓷材料主要是铅基压电陶瓷，即PbTiO3-PbZrO3、PbTiO3-PbZrO3-ABO3(ABO3为复合钙钛矿型铁电体)及PbTiO3系压电陶瓷等。这些陶瓷材料中PbO(或Pb3O4)的含量约占70％左右。铅基压电陶瓷在生产、使用及废弃后处理过程中都会给人类及生态环境带来严重危害，这与人类社会的可持续发展相悖。
而无铅压电陶瓷既具有满意的使用性能又具有良好环境协调性，材料体系本身不含对生态环境可能造成损害的物质(特别是铅)，并且在制备、使用废弃处理过程中不产生对环境可能有害的物质，以及制备工艺应具有耗能少、对环境污染小等良好的环境协调性。
无铅压电陶瓷主要有钛酸钡基、钛酸铋钠基、铋层状钙钛矿结构铁电体及铌酸钠钾基为主。但是钛酸钡基压电陶瓷虽然经过改性后具有良好的压电性能，但是较低的居里温度限制了其应用范围。钛酸铋钠基压电陶瓷具有较高的居里温度和较高的压电性能，但是高的矫顽场使其难以极化。铋层状钙钛矿结构铁电体具有较高的居里温度、不易老化等优点，但是这类材料存在压电性差，烧结工艺苛刻的缺点。和这三类材料相比，钙钛矿结构的铌酸钠钾基陶瓷因具有高的居里温度、较高的压电性能和较低的矫顽场而成为一种有前景的材料。
为进一步提高铌酸钠钾基陶瓷的压电性能和改善其烧结性能，人们进行了很多掺杂体系的研究。掺杂的引入一方面提高了压电性能，另一方面却降低了居里温度，限制了压电陶瓷应用的温度范围。文献Nature(2004，432：84)报道了(Na0.52K0.44Li0.04)(Nb0.86Ta0.10Sb0.04)O3体系具有高达300pC/N的压电性能，通过RTGG法可以达到415pC/N，但是其居里温度较低，仅为253℃，并且工艺复杂难以生产；文献Appl.Phys.Lett.(2004，85：4121)报道了具有高性能高居里温度的(Na0.47K0.47Li0.06)NbO3，其压电性能达到235pC/N，居里温度大于450℃，提高了材料的应用的温度范围，但是由于Li也是容易挥发的元素，成份难以控制。为了在保持高的压电性能的同时保持较高的居里温度，合适的掺杂物和相应的工艺成为必要。
发明内容
本发明的目的在于采用固相法通过改善铌酸钠钾基陶瓷的成分和烧结工艺，获得一种在具有高压电性能和高居里温度的材料。
为了实现本发明的目的，提出了一种无铅压电陶瓷的体系，由通式(1-x)(Na0.5+yK0.5+y)NbO3-xBiScO3表示的组分组成，式中x、y表示相应的组分所占摩尔数，其中0.0＜x＜0.02且0.02＜y＜0.05。
为了实现本发明的目的，还提出了一种快速升温工艺，即样品在排胶以后以10-20℃/min的速度升温至成瓷温度保温。
具体步骤是：
按照(1-x)(Na0.5+yK0.5+y)NbO3-xBiScO3(0.0＜x＜0.02且0.02＜y＜0.05)称取符合化学剂量比的Na2CO3、K2CO3、Nb2O5、Sc2O3以及Bi2O3，称量后的样品在乙醇溶液中球磨5～20小时使其充分混合，烘干后在800～1000℃温度范围内煅烧1～10小时，煅烧后的样品经球磨后，加入浓度为5wt.％PVA混合均匀，并且经过干燥后，在40-60MPa条件下压制成片，制得陶瓷生坯，再将陶瓷生坯以2-8℃/min升温至600℃保温一小时进行排胶，然后以10-20℃/min的速度升温至1000～1200℃，烧结1～10小时，即可抛光，披银，极化测试压电性能，烧结后的陶瓷磨碎后通过DSC测试居里温度。
与现有技术相比，本发明化合物(1-x)(Na0.5+yK0.5+y)NbO3-xBiScO3及所采用的快速升温工艺在大幅度降低了正交-四方相转变温度(由(Na0.5K0.5)NbO3的189℃降低到100℃)的同时能够保持(Na0.5K0.5)NbO3较高的居里温度(410℃左右)，并且大幅度提高了压电性能(由(Na0.5K0.5)NbO3的118pC/N提高到210pC/N)。制备方法由于只需通常的固相法，因此简单易操作。
附图说明
图1 0.985(Na0.53K0.53)NbO3-0.015BiScO3化合物XRD图谱
图2 0.985(Na0.53K0.53)NbO3-0.015BiScO3化合物DSC曲线
图3 0.99(Na0.53K0.53)NbO3-0.01BiScO3化合物XRD图谱
图4 0.99(Na0.53K0.53)NbO3-0.01BiScO3化合物DSC曲线
具体实施方式
实施例1：
利用此发明合成0.985(Na0.53K0.53)NbO3-0.015BiScO3。称取1.5743克Na2CO3、2.0528克K2CO3、0.1989克Bi2O3、0.0598克Sc2O3以及7.4494克Nb205，在乙醇溶液中球磨10小时后，干燥后的粉体在900℃下煅烧5小时，煅烧后样品再次球磨1小时，加入5wt.％PVA混合均匀并且经过干燥后，在60MPa条件下压制成片，陶瓷生坯以5℃/min升温至600℃保温一小时进行排胶，然后以15℃/min的速度升温至1130℃烧结3小时，冷却后的样品经过抛光涂烤银电极后，在110℃硅油中进行极化，极化电压为3-4kV/mm，极化时间为15分钟。
图1说明0.985(Na0.53K0.53)NbO3-0.015BiScO3化合物为单一相。图2为该化合物DSC曲线图，从此图中可以看出掺杂对居里温度影响比较小，但却大幅度降低了正交-四方相转变温度，在室温下测得的压电常数d33为212pC/N，机电耦合系数为0.36。
实施例2：
利用此发明合成0.99(Na0.55K0.55)NbO3-0.01BiScO3。称取1.5881克Na2CO3、2.0708克K2CO3、0.1331克Bi2O3、0.0394克Sc2O3以及7.5146克Nb2O5，在乙醇溶液中球磨10小时后，干燥后的粉体在800℃下煅烧10小时，煅烧后样品再次球磨1小时，加入5wt.％PVA混合均匀并且经过干燥后，在60MPa条件下压制成片，陶瓷生坯以5℃/min升温至600℃保温一小时进行排胶，然后以10℃/min的速度升温至1100℃烧结3小时，冷却后的样品经过抛光涂烤银电极后，在110℃硅油中进行极化，极化电压为3-4kV/mm，极化时间为15分钟。
图3说明0.99(Na0.53K0.53)NbO3-0.01BiScO3化合物为单一相。图4为该化合物DSC曲线图，从此图中可以看出掺杂对居里温度影响比较小，但却大幅度降低了正交-四方相转变温度，在室温下测得的压电常数d33为168pC/N，机电耦合系数为0.32。

Claims (1)

1.一种铌酸盐压电陶瓷的制备方法，其特征在于，采用以下制备步骤：
(1)按照(1-x)(Na0.5+yK0.5+y)NbO3-xBiScO3，其中0.0＜x＜0.02且0.02＜y＜0.05，称取符合化学剂量比的Na2CO3、K2CO3、Nb2O5、Sc2O3以及Bi2O3，称量后的样品在乙醇溶液中球磨5～20小时，使其充分混合，烘干后在800～1000℃温度范围内煅烧1～10小时；
(2)煅烧后的样品经球磨后，加入5wt.％PVA混合均匀，并且经过干燥后，在40-60MPa条件下压制成片，陶瓷生坯以2-8℃/min速度升温至600℃保温一小时进行排胶，然后以10-20℃/min的速度升温至1000～1200℃，烧结1～10小时。
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