CN102351535B - 一种低损耗铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低损耗铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法，该无铅压电陶瓷包含钙钛矿型铁电体（K0.5-xNa0.5+x）NbO3、助溶剂LiSbO3以及复合型铁电（磁）体Bi(FetMn1-t)O3。其通式用（1-y-z）（K0.5-xNa0.5+x）NbO3-yLiSbO3-zBi(FetMn1-t)O3来表示，式中0＜x＜0.5,0＜y＜0.1,0＜z＜0.1，0＜t＜1，通过选取适当的x、y、z和t值及工艺参数，用传统制陶工艺制成新的陶瓷产品。本发明提供的压电材料的优点是：致密性好，介电损耗低，压电性能优良，居里温度高，压电性能热稳定性好，制备工艺稳定，采用传统手段获得；烧结温度较低，约1050～1130℃。

Description

一种低损耗铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法
技术领域
 本发明属于钙钛矿结构无铅压电陶瓷，具体是一种低损耗铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法。
背景技术
自二十世纪四十年代发现钛酸钡陶瓷的压电性，特别是具有优异压电性能和高居里温度的锆钛酸铅Pb(Ti,Zr)O3 (PZT)开发成功后，压电陶瓷及压电陶瓷器件已广泛地应用于工业特别是信息产业领域。但是，铅基压电陶瓷材料中，PbO或Pb3O4的含量约占原料总量的70%，而这些含铅器件在生产、使用及废弃后处理过程给人类及生态环境造成严重危害。近年来，欧美、日本、韩国等发达国家以及中国都相继出台了措施，限制或禁止含铅电子产品的生产，因而无铅压电陶瓷及器件开发的研究成为大家公认的热点。
K0.5Na0.5NbO3是铁电体KNbO3和反铁电体NaNbO3固熔而形成的ABO3型钙钛矿型铁电体，具有居里温度高、机电耦合系数大、声学速度高等优点，并且频率常数大，特别适用超声领域的应用。但其最大的缺点就是：K、Na的高温挥发，使传统工艺不能获得致密的高性能K0.5Na0.5NbO3陶瓷体。专利CN1644562A公开了放电等离子体烧结法制备工艺，材料致密度提高，但所得的材料压电性能并不高；专利CN1810711A提出粉体埋烧的方法，其特点是采用相同成分粉体埋烧，防止钾钠的挥发，所制无铅压电陶瓷性能有所提高，d 33 可达120pC/N。另外，近年来大家对铌酸钾钠基陶瓷进行了各种改性研究，例如助溶剂改性、掺杂改性、工艺改性等等，但所获材料的综合性能均不理想，主要缺点是：损耗较大，或居里温度过低，或成本过高，如Y.Saito et al.织构法制备了同铅基压电陶瓷媲美的KNN陶瓷，但工艺相当复杂，且生产成本很高，难于工业化生产。
以上无铅压电陶瓷体系或多或少存在一定的问题，离实际应用还有较大的距离。
发明内容
本发明的目的是提供一种介电损耗低、居里温度和致密度高、压电性能优异的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法。
本发明目的通过下述方案来实现：
一种低损耗铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，是在K0.5-xNa0.5+xNbO3-LiSbO3中复合添加 Bi(FetMn1-t)O3构成无铅压电陶瓷，可用通式（1-y-z）（K0.5-xNa0.5+x）NbO3-yLiSbO3-z Bi(FetMn1-t)O3来表示，式中x用来调节K、Na因挥发而引起的原子比失衡，其中0＜x＜0.5,0＜y＜0.1,0＜z＜0.1，0＜t＜1。
上述低损耗铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备方法，包括配料、湿磨、烘干、煅烧、二次球磨、造粒、成型、烧结、打磨、镀银、极化，烧结时以120℃/h的升温速率到600℃保温2h,再以120℃/h的升温速率到830℃保温1h，再以60℃/h升温到1050～1130℃保温1～9h烧结，之后随炉冷却至室温而成。
本发明所述的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷具有优良的性能，材料性能经测试，压电常d 33 可达290pC/N以上，常温下测得介电损耗（tanθ）为1.6%，340℃以下介电损耗（tanθ）100kHz时低于2%，K p 可达52%以上，居里温度在340℃以上，可用于电声、超声波传感器，如倒车防撞超声波雷达等。
本发明提供的压电材料的优点是：致密性好，介电损耗低，压电性能优良，居里温度高，压电性能热稳定性好，制备工艺稳定，采用传统手段获得；烧结温度较低，约1050～1130℃。
具体实施方式
以下将通过实施例对本发明进行详细描述，这些实施例只是出于示例性说明的目的，而并非用于限定本发明。
实施例1：
本发明以Na2CO3，K2CO3，Li2CO3，Sb2O3，Nb2O5，Bi2O3，Fe2O3、MnO2为原料，按照化学式0.951（K0.5Na0.5）NbO3-0.045 LiSbO3-0.004 Bi（Fe0.5Mn0.5）O3进行配料，经湿磨、烘干、煅烧、二次球磨、造粒，烧结时以120℃/h的升温速率到600℃保温2h,再以120℃/h的升温速率到830℃保温1h，再以60℃/h升温到1050～1130℃保温1～9h烧结，之后随炉冷却至室温而成。烧结后的样品经双面打磨后镀银，在650℃烧银0.5h后，于70～150℃硅油中极化，极化电场为3～5KV/mm,极化时间为10～20min，自然降温至室温取出，静置24h后测得性能。
性能：
d 33 (pC/N)     tanδ(%)     K p (%)      Qm        Tc(℃)       ε       ρ（g/m3）
290          1.6        52        74.8       340       1430      4.548
实施例2：
配方按化学通式：0.951（K0.5Na0.5）NbO3-0.045 LiSbO3-0.004 Bi（Fe0.7Mn0.3）O3，制备方法同实施例1。
性能：
d 33  (pC/N)     tanδ(%)     K p (%)     Qm       Tc(℃)       ε       ρ（g/m3）
248          1.7        52.2       64.9       340       1750      4.543
实施例3：
配方按化学通式：0.951（K0.5Na0.5）NbO3-0.045 LiSbO3-0.004 Bi（Fe0.9Mn0.1）O3，制备方法同实施例1。
性能：
d 33  (pC/N)     tanδ(%)     K p (%)     Qm        Tc(℃)      ε       ρ（g/m3）
  232          2.6        45.6       53.4        335     1960       4.488
实施例4：
配方按化学通式：0.951（K0.5Na0.5）NbO3-0.05 LiSbO3-0.004 Bi（Fe0.7Mn0.3）O3，制备方法同实施例1。
性能：
d 33  (pC/N)     tanδ(%)     K p (%)      Qm      Tc(℃)        ε       ρ（g/m3）
  275          2.4       48.2       54.5      340        1620       4.483       
实施例5：
配方按化学通式：0.951（K0.5Na0.5）NbO3-0.055 LiSbO3-0.004 Bi（Fe0.7Mn0.3）O3，制备方法同实施例1。
性能：
d33(pC/N)     tanδ(%)     K p (%)     Qm        Tc(℃)       ε      ρ（g/m3）
  293          2.7        49.3      52.8      335        1550      4.445
实施例6：
配方按化学通式：0.953（K0.5Na0.5）NbO3-0.045 LiSbO3-0.002 Bi（Fe0.5Mn0.5）O3，制备方法同实施例1。
性能：
d 33  (pC/N)     tanδ(%)     K p (%)     Qm       Tc(℃)        ε      ρ（g/m3）
228           2.26        51.9       77        350         1140      4.522
实施例7：
配方按化学通式：0.949（K0.5Na0.5）NbO3-0.045 LiSbO3-0.006 Bi（Fe0.5Mn0.5）O3，制备方法同实施例1。
性能：
d 33  (pC/N)     tanδ(%)     K p (%)     Qm       Tc(℃)        ε       ρ（g/m3）
253         1.96        53.2       57        345        1250       4.503   
实施例8：
配方按化学通式：0.947（K0.5Na0.5）NbO3-0.045 LiSbO3-0.008 Bi（Fe0.5Mn0.5）O3，制备方法同实施例1。
性能：
d 33  (pC/N)     tanδ(%)     K p (%)      Qm       Tc(℃)        ε        ρ（g/m3）
 168           2.6        23.7       136       315        1310        4.431
实施例9：
配方按化学通式：0.951（K0.48Na0.52）NbO3-0.045 LiSbO3-0.004 Bi（Fe0.7Mn0.3）O3，制备方法同实施例1。
性能：
d 33  (pC/N)     tanδ(%)      K p (%)      Qm      Tc(℃)         ε      ρ（g/m3）
 268          2.2          48.5       42        330       1570      4.508

Claims (1)

1.一种低损耗铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，包含钙钛矿型压电体（K0.5-xNa0.5+x）NbO3、助溶剂LiSbO3，其特征在于：还包括复合型铁电/铁磁体Bi(FetMn1-t)O3，以Na2CO3，K2CO3，Li2CO3，Sb2O3，Nb2O5，Bi2O3，Fe2O3、MnO2为原料，按照化学式0.951（K0.5Na0.5）NbO3-0.045 LiSbO3-0.004 Bi（Fe0.5Mn0.5）O3进行配料，经湿磨、烘干、煅烧、二次球磨、造粒，烧结时以120℃/h的升温速率到600℃保温2h,再以120℃/h的升温速率到830℃保温1h，再以60℃/h升温到1050～1130℃保温1～9h烧结，之后随炉冷却至室温而成，烧结后的样品经双面打磨后镀银，在650℃烧银0.5h后，于70～150℃硅油中极化，极化电场为3～5KV/mm,极化时间为10～20min，自然降温至室温取出而成。
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