CN101747038B - 一种高性能K0.5Na0.5NbO3-LiSbO3-BiScO3无铅压电陶瓷 - Google Patents
一种高性能K0.5Na0.5NbO3-LiSbO3-BiScO3无铅压电陶瓷 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高性能的K0.5Na0.5NbO3-LiSbO3-BiScO3无铅压电陶瓷，它是在K0.5Na0.5NbO3-LiSbO3中添加BiScO3经传统陶瓷烧结工艺制成，组成通式为(1-x-y)(K0.5Na0.5)NbO3-xLiSbO3-yBiScO3，式中x、y表示陶瓷体系中摩尔含量，其中0＜x≤0.1，0＜y≤0.01。通过选择适当的x、y值及在烧结时，以120℃/h的升温速度到500℃保温2h，再以120℃/h的升温速度到1060～1150℃保温1～9h烧结。烧结后，随炉冷却至室温。得到的无铅压电陶瓷的压电常数d33突破300pC/N，平面机电耦合系数kp可达0.52以上，机械品质因素Qm可达54.00，常温下介电常数εr可达1742，介电损耗(tanθ)低于2.5％。
Description
技术领域
本发明涉及无铅压电陶瓷材料，具体是K0.5Na0.5NbO3-LiSbO3-BiScO3系无铅压电陶瓷及其制备方法。
背景技术
压电材料作为一种机械能与电能相互转换的功能材料，在电、磁、声、光、热、力等功能转换器件中发挥着重要的作用。随着人类社会可持续发展的要求以及一些发达国家有关电子产品无铅化法规的全面实施，近年来无铅压电陶瓷的研究与开发受到极大关注。
而无铅压电陶瓷中的铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3，简称KNN)因其居里温度高(Tc＞300℃)，压电性能良好(d33可超过100pC/N)，介电常数低，密度小，频率常数大，被认为是当前可能替代铅基压电陶瓷的候选无铅压电陶瓷材料之一，它的研究和开发是当前压电铁电材料领域的研究热点之一。然而，Na和K高温下易挥发，采用传统陶瓷工艺难以获得致密性良好的陶瓷体，采用热压或等静压工艺能够获得致密的KNN陶瓷，材料的温度稳定性得到较大改善，相对密度可达99％，但材料的稳定性程度并不令人十分满意，且热压工艺生产成本较高，材料尺寸大小受到限制。
近年来，人们对铌酸钾钠基无铅压电陶瓷进行了各种改性研究，例如固溶改性、掺杂改性、工艺改性等。但所获的材料的综合性能仍不理想，要么材料的压电性能良好但工艺成本过高，或者材料的损耗较大，或者材料的居里温度过低；要么工艺成本低，但压电性能又达不到应用要求，或者材料的致密度低；等等。其中，据文献报导，在铌酸钾钠中添加适量锑酸锂(LiSbO3)后，陶瓷的性能获得了明显的改善。且在掺杂量为5％时，(1-x)KNN-xLS陶瓷的电学性能最佳，各项性能分别为：d33～220pC/N；kp～43％；Tc～368℃；tanδ～2.8％。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用传统陶瓷烧结工艺制备的介电损耗低、居里温度和致密度高、压电性能优异的高性能的K0.5Na0.5NbO3-LiSbO3-BiScO3无铅压电陶瓷。
本发明目的通过下述技术方案来实现：在K0.5Na0.5NbO3-LiSbO3中添加BiScO3构成的无铅压电陶瓷，可以用通式(1-x-y)(K0.5Na0.5)NbO3-xLiSbO3-yBiScO3来表示，式中x、y表示陶瓷体系中摩尔含量，其中0＜x≤0.1，0＜y≤0.01。
其制备方法，包括湿磨、烘干、烧成、二次球磨、造粒、压制成型、烧结、打磨、披银、硅油中极化。在烧结时以120℃/h的升温速度到500℃保温2h，再以120℃/h的升温速度到1060～1150℃保温1～9h烧结。烧结后，随炉冷却至室温。
本发明高性能的K0.5Na0.5NbO3-LiSbO3-BiScO3无铅压电陶瓷，具有优良的压电性能及综合性能。通过选择适当的x、y值及工艺参数，烧结温度在1060℃～1150℃，均可使该体系陶瓷各项性能很好，其中该体系的各项最佳性能为：压电常数d33突破300pC/N，平面机电耦合系数kp高达0.528，机械品质因素Qm为54.00，介电常数εr达1742，介电损耗(tanδ)低于2.5％，已经达到部分商用的铅基压电陶瓷的性能，即具备部分替代铅基压电陶瓷的条件。
具体实施方式
实施例1：
以Na2CO3、K2CO3、Nb2O5、Li2CO3、Sb2O3、Bi2O3和Sc2O3为原料，按照化学式：0.946(K0.5Na0.5)NbO3-0.05LiSbO3-0.004BiScO3进行配料，以无水乙醇为介质湿磨，烘干后在880℃保温6h预合成瓷料；瓷料经二次球磨烘干后加粘结剂成型，在烧结时以120℃/h的升温速度到500℃保温2h，再以120℃/h的升温速度到1080℃烧结3h；烧结后的陶瓷片经双面平行磨平后被银，在600℃烧银0.5h后，在80～90℃硅油中极化，极化电场为3～4kV/mm，极化时间为15min；静止24h后测得性能为：
d33(pC/N) Qm kp εr tanδ(％)
283 44.47 0.250 1468 3.21
实施例2：
制备方法同实施例1，成分表达式：
0.942(K0.5Na0.5)NbO3-0.05LiSbO3-0.008BiScO3
性能：
d33(pC/N) Qm kp εr tanδ(％)
290 50.23 0.367 1598 7.48
实施例3：
制备方法中除烧结温度为1090℃外其它同实施例1，成分表达式：
0.946(K0.5Na0.5)NbO3-0.05LiSbO3-0.004BiScO3
性能：
d33(pC/N) Qm kp εr tanδ(％)
282 43.88 0.509 1478 2.60
实施例4：
制备方法中除烧结温度为1090℃外其它同实施例1，成分表达式：
0.942(K0.5Na0.5)NbO3-0.05LiSbO3-0.008BiScO3
性能：
d33(pC/N) Qm kp εr tanδ(％)
288 35.66 0.462 1495 2.64
实施例5：
制备方法中除烧结温度为1100℃外其它同实施例1，成分表达式：
0.942(K0.5Na0.5)NbO3-0.05LiSbO3-0.008BiScO3
性能：
d33(pC/N) Qm kp εr tanδ(％)
305 50.31 0.528 1671 2.43
实施例6：
制备方法中除烧结温度为1110℃外其它同实施例1，成分表达式：
0.946(K0.5Na0.5)NbO3-0.05LiSbO3-0.004BiScO3
性能：
d33(pC/N) Qm kp εr tanδ(％)
270 48.91 0.526 1551 2.42
实施例7：
制备方法中除烧结温度为1110℃外其它同实施例1，成分表达式：
0.942(K0.5Na0.5)NbO3-0.05LiSbO3-0.008BiScO3
性能：
d33(pC/N) Qm kp εr tanδ(％)
294 53.22 0.513 1702 2.44
实施例8：
制备方法中除烧结温度为1120℃外其它同实施例1，成分表达式：
0.946(K0.5Na0.5)NbO3-0.05LiSbO3-0.004BiFeO3
性能：
d33(pC/N) Qm kp εr tanδ(％)
280 48.84 0.523 1593 2.45
实施例9：
制备方法中除烧结温度为1120℃外其它同实施例1，成分表达式：
0.942(K0.5Na0.5)NbO3-0.05LiSbO3-0.008BiScO3
性能：
d33(pC/N) Qm kp εr tanδ(％)
292 54.00 0.511 1742 2.14
实施例10：
制备方法中除烧结温度为1060℃外其它同实施例1，具体成分表达式为：
0.95(K0.5Na0.5)NbO3-0.05LiSbO3-0.008BiScO3
性能：
d33(pC/N) Qm kp εr tanδ(％)
135 37.02 0.216 1249 30.6
实施例11：
制备方法中除烧结温度为1140℃外，其它同实施例1，成分表达式：
0.95(K0.5Na0.5)NbO3-0.01LiSbO3-0.008BiScO3
d33(pC/N) Qm kp εr tanδ(％)
105 32.20 0.243 704.9 19.3
实施例12：
制备方法中除烧结温度为1150℃外，其它同实施例1，成分表达式：
0.95(K0.5Na0.5)NbO3-0.07LiSbO3-0.008BiScO3
d33(pC/N) Qm kp εr tanδ(％)
185 80.26 0.384 1284 2.66
实施例13：
制备方法中除在1100℃烧结1h外，其它同实施例1，成分表达式：
0.95(K0.5Na0.5)NbO3-0.05LiSbO3-0.008BiScO3
性能：
d33(pC/N) Qm kp εr tanδ(％)
265 52.31 0.440 1453 8.46
实施例14：
制备方法中除在1100℃烧结9h外，其它同实施例1，成分表达式：
0.95(K0.5Na0.5)NbO3-0.05LiSbO3-0.008BiScO3
性能：
d33(pC/N) Qm kp εr tanδ(％)
289 47.32 0.503 1281 4.25
Claims (2)
1.一种K0.5Na0.5NbO3–LiSbO3–BiScO3无铅压电陶瓷的制备方法，包括湿磨、烘干、烧成、二次球磨、造粒、压制成型、烧结、打磨、披银和硅油中极化，其特征是：它是在K0.5Na0.5NbO3-LiSbO3中添加BiScO3；在烧结时以120℃/h的升温速度到500℃保温2h，再以120℃/h的升温速度到1060～1150℃保温1～9h烧结，烧结后，随炉冷却至室温；
所述K0.5Na0.5NbO3-LiSbO3中添加BiScO3的组成通式为(1-x-y)(K0.5Na0.5)NbO3–x LiSbO3–yBiScO3，式中x、y表示陶瓷体系中摩尔含量，其中,0＜x≤0.1，0＜y≤0.01。
2.用权利要求1所述方法制备的一种高性能的K0.5Na0.5NbO3–LiSbO3–BiScO3无铅压电陶瓷。
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| CN 200910114460 CN101747038B (zh) | 2009-09-30 | 2009-09-30 | 一种高性能K0.5Na0.5NbO3-LiSbO3-BiScO3无铅压电陶瓷 |
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