CN102531596A - 一种铌酸钠钾基无铅压电陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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刘来君
史丹平
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Abstract

本发明公开了一种铌酸钠钾基无铅压电陶瓷及其制备方法。铌酸钠钾基无铅压电陶瓷分子式为：0.92K0.5Na0.5NbO3-(0.08-x)BaSnO3-xBiFeO3，式中0.01≤x≤0.07，其中x为摩尔数。将分析纯的碳酸钾、碳酸钠、五氧化二铌、碳酸钡、二氧化锡、三氧化二铋和三氧化二铁按化学计量比0.92K0.5Na0.5NbO3-(0.08-x)BaSnO3-xBiFeO3进行配料，式中0.01≤x≤0.07，其中x为摩尔数；经球磨、煅烧、二次球磨、造粒、成型、烧结等工艺，制得具有良好压电性能和温度稳定性的压电陶瓷。本发明所得的陶瓷材料具有压电性能高、温度稳定性好，以满足超声换能器的使用要求。

Description

一种铌酸钠钾基无铅压电陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铌酸钠钾基无铅压电陶瓷及其制备方法，属于电子陶瓷领域。
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，即以PbTiO3-PbZrO3为主要成分的陶瓷。这些陶瓷材料中PbO或Pb3O4的含量约占原料总质量的70％左右。铅基压电陶瓷在生产、使用及废弃后的处理过程中都会给人类及生态环境带来严重的危害，这与人类社会的可持续发展相悖。而无铅压电陶瓷既具有令人满意的使用性能又具有良好的环境协调性，材料体系本身不含对生态环境可能造成损害的物质，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，以及制备工艺具有耗能少，对环境污染小等良好的环境协调性。
目前广泛研究的无铅基压电陶瓷体系有四类：铋层状结构无铅压电陶瓷、BaTiO3基无铅压电陶瓷、Bi0.5Na0.5TiO3基无铅压电陶瓷及碱金属铌酸盐无铅压电陶瓷。铋层状结构无铅压电陶瓷居里温度高，各向异性大，但压电活性低；BaTiO3基无铅压电陶瓷居里温度仅为120℃，压电性能中等；Bi0.5Na0.5TiO3基无铅压电陶瓷具有压电性较强且易于改性提高压电性能，但在210℃附近的第二相变致使其退化温度低于210℃，改变提高压电性能的同时往往伴随退极化温度的严重降低；碱金属铌酸盐无铅压电陶瓷难以通过传统陶瓷制备技术获得致密的陶瓷，但其具有高达420℃的居里温度而成为无铅压电陶瓷研究热点。但是由于K0.5Na0.5NbO3烧成温度范围狭窄，而且在烧结过程中容易导致钠离子和钾离子的挥发从而产生第二相，因此在实际应用中通常采用与第二相复合来提高其压电性能。
文献[Ruzhong Zuo，Chun Ye，Xusheng Fang，Na0.5K0.5NbO3-BiFeO3 lead-freepiezoelectric ceramics，Journal of Physics and Chemistry of Solids 69(2008)230235]报道了Na0.5K0.5NbO3-BiFeO3的压电常数高达185pC/N。但是由于Na0.5K0.5NbO3与BiFeO3在室温附近形成了正交-四方共存相，因此其高的压电性能只能在比较窄的温度范围内保持。为了获得压电性能高、温度稳定好的Na0.5K0.5NbO3基压电陶瓷，需要构造一个三方-四方准同型相界。
发明内容
本发明的目的是提供一种铌酸钠钾基无铅压电陶瓷及其制备方法，根据K0.5Na0.5NbO3基陶瓷准同型相界理论，分别引入比Nb离子半径大和比Nb离子半径小的两种离子来取代Nb离子，从而在室温附近形成三方-四方共存相，获得优良的压电性能并扩大了Na0.5K0.5NbO3基无铅体系的使用温度范围。本发明在K0.5Na0.5NbO3-BiFeO3体系的基础上，引入了离子半径比较大的锡元素取代铌，形成了K0.5Na0.5NbO3-BaSnO3-BiFeO3体系，在室温附近出现了三方-四方两相共存区，形成了一种温度稳定好、压电性能高的无铅压电陶瓷体系。
本发明涉及的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷的化学组成通式为：0.92K0.5Na0.5NbO3-(0.08-x)BaSnO3-xBiFeO3进行配料，式中0.01≤x≤0.07，其中x为摩尔数。
铌酸钠钾基无铅压电陶瓷的制备方法具体步骤为：
(1)将分析纯的碳酸钾、碳酸钠、五氧化二铌、碳酸钡、二氧化锡、三氧化二铋和三氧化二铁按化学计量比0.92K0.5Na0.5NbO3-(0.08-x)BaSnO3-xBiFeO3进行配料，式中0.01≤x≤0.07，其中x为摩尔数；
(2)将步骤(1)配制好的原料放到球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇，所加的氧化锆球质量为原料质量的2～8倍，采用湿磨法进行球磨混合4～24小时，转速为200～450转/分钟。取出置于烘箱中在80℃～140℃条件下烘干。烘干的粉体放入坩埚中，经以1～5℃/mi n的升温速率升至800～1000℃，保温2～8小时；
(3)将步骤(2)所得的煅烧粉体放入球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇，所加的氧化锆球质量为原料质量的2～8倍，采用湿磨法进行球磨混合4～24小时，转速为200～450转/分钟；
(4)将步骤(3)所得的浆料烘干，过筛40～120目筛网得到粉体，然后加入质量百分比浓度为3～9％的聚乙烯醇溶液进行造粒，所加聚乙烯醇溶液的质量为粉体质量的5～25％；造好的粉体颗粒在200～400MPa压力下压制成型，然后以1～2℃/min升温至400～600℃进行排胶，以3～5℃/min升温至1000～1200℃下烧结，保温1-～10小时，即可得到铌酸钠钾基无铅压电陶瓷。
本发明有益效果是：在K0.5Na0.5NbO3引入小半径的离子取代Nb可以造成负的化学压力，从而导致K0.5Na0.5NbO3的所有相变温度都向低温移动，并使四方相的温度范围扩大；在K0.5Na0.5NbO3引入大半径的离子取代Nb可以造成正的化学压力，从而导致K0.5Na0.5NbO3的三方-四方相变向高温移动，并使三方相的温度范围扩大。因此本发明通过分别用半径比Nb大和半径比Nb小的离子取代Nb，从而在室温附近获得三方-四方共存相，从而获得压电性能高、温度稳定性好的无铅压电陶瓷体系。
具体实施方式
实施例1：
压电陶瓷材料，其分子结构表达式为：K0.46Na0.46Nb0.92Ba0.07Sn0.07Bi0.01Fe0.01O3。
步骤为：以分析纯级的碳酸钾、碳酸钠、五氧化二铌、碳酸钡、二氧化锡、三氧化二铋和三氧化二铁为原料。把原料按照化学计量比进行配制，称取碳酸钾、碳酸钠、五氧化二铌、碳酸钡、二氧化锡、三氧化二铋及三氧化二铁，放置球磨罐中，加入介质氧化锆球和无水乙醇，其中所加的介质氧化锆球的质量为原料质量的4倍，所用乙醇的体积为球磨罐体积的3/4，采用湿磨法进行球磨混合7小时，转速为400r/min。取出，放置90℃条件下烘干，过60目的筛子，把原料压制成柱状，经以2℃/min的升温速率升至800℃，保温4小时；再进行24小时的二次球磨，烘干，加入质量百分比浓度为9％的聚乙烯醇溶液造粒，所加聚乙烯醇溶液的质量为粉体质量的5％；过60目和120目的双层筛子，压力为250MPa，直径为12mm，厚度为1mm下压制成型；以1℃/min的速率升温至400℃进行排胶，然后以3℃/min分别升温至1080℃，1100℃，1110℃下烧结，保温2小时，然后随炉冷却。即可得到K0.46Na0.46Nb0.92Ba0.07Sn0.07Bi0.01Fe0.01O3陶瓷。
实施例2：
压电陶瓷材料，其分子结构表达式为：K0.46Na0.46Nb0.92Ba0.06Sn0.06Bi0.02Fe0.02O3。
步骤为：以分析纯级的碳酸钾、碳酸钠、五氧化二铌、碳酸钡、二氧化锡、三氧化二铋及三氧化二铁为原料。把原料按照化学计量比进行配制，称取碳酸钾、碳酸钠、五氧化二铌、碳酸钡、二氧化锡、三氧化二铋及三氧化二铁，放置球磨罐中，加入介质氧化锆球和无水乙醇，其中所加的介质氧化锆球的质量为原料质量的5倍，采用湿磨法进行球磨混合8小时，转速为400r/min。取出，放置100℃条件下烘干，过60目筛子，把原料压制成柱状，经以3℃/min的升温速率升至1050℃，保温5小时；再进行24小时的二次球磨，烘干，加入质量百分比浓度为5％的聚乙烯醇溶液造粒，所加聚乙烯醇溶液的质量为粉体质量的10％；过60目和120目的双层筛子，压力为300MPa，直径为12mm，厚度为1mm下压制成型；以1.2℃/min升温至480℃进行排胶，然后以3.5℃/min分别升温至1080℃，1100℃，1110℃下烧结，保温4小时，然后随炉冷却。即可得到K0.46Na0.46Nb0.92Ba0.06Sn0.06Bi0.02Fe0.02O3陶瓷。
实施例3：
压电陶瓷材料，其分子结构表达式为：K0.46Na0.46Nb0.92Ba0.04Sn0.04Bi0.04Fe0.04O3。
步骤为：以分析纯级的碳酸钾、碳酸钠、五氧化二铌、碳酸钡、二氧化锡、三氧化二铋及三氧化二铁为原料。把原料按照化学计量比进行配制，称取碳酸钾、碳酸钠、五氧化二铌、碳酸钡、二氧化锡、三氧化二铋及三氧化二铁，放置球磨罐中，加入介质氧化锆球和无水乙醇，其中所加的介质氧化锆球的质量为原料质量的6倍，采用湿磨法进行球磨混合9小时，转速为400r/min。取出，放置110℃条件下烘干，过60目筛子，把原料压制成柱状，经以4℃/min的升温速率升至1000℃，保温6小时；再进行24小时的二次球磨，烘干，加入质量百分比浓度为5％的聚乙烯醇溶液造粒，所加聚乙烯醇溶液的质量为粉体质量的20％；过60目和120目的双层筛子，压力为350MPa，直径为12mm，厚度为1mm下压制成型；以1.5℃/min升温至550℃进行排胶，然后以4℃/min分别升温至1080℃，1100℃，1110℃下烧结，保温6小时，然后随炉冷却。即可得到K0.46Na0.46Nb0.92Ba0.04Sn0.04Bi0.04Fe0.04O3陶瓷。
实施例4：
压电陶瓷材料，其分子结构表达式为：K0.46Na0.46Nb0.92Ba0.02Sn0.02Bi0.06Fe0.06O3。
步骤为：以分析纯级的碳酸钾、碳酸钠、五氧化二铌、碳酸钡、二氧化锡、三氧化二铋及三氧化二铁为原料。把原料按照化学计量比进行配制，称取碳酸钾、碳酸钠、五氧化二铌、碳酸钡、二氧化锡、三氧化二铋及三氧化二铁，放置球磨罐中，加入介质氧化锆球和无水乙醇，其中所加的介质氧化锆球的质量为原料质量的7倍，所用乙醇的体积为球磨罐体积的3/4，采用湿磨法进行球磨混合10小时，转速为400r/min。取出，放置120℃条件下烘干，过60目筛子，把原料压制成柱状，经以5℃/min的升温速率升至1100℃，保温7小时；再进行24小时的二次球磨，烘干，加入质量百分比浓度为3％的聚乙烯醇溶液造粒，所加聚乙烯醇溶液的质量为粉体质量的25％；过60目和120目的双层筛子，压力为400MPa，直径为12mm，厚度为1mm下压制成型；以2℃/min升温至600℃进行排胶，然后以5℃/min分别升温至1080℃，1100℃，1110℃下烧结，保温8小时，然后随炉冷却。即可得到K0.46Na0.46Nb0.92Ba0.02Sn0.02Bi0.06Fe0.06O3陶瓷。

Claims (2)

1.一种铌酸钠钾基无铅压电陶瓷，其特征在于铌酸钠钾基无铅压电陶瓷的化学组成通式为：0.92K0.5Na0.5NbO3-(0.08-x)BaSnO3-xBiFeO3进行配料，式中0.01≤x≤0.07，其中x为摩尔数。
2.根据权利要求1所述的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于具体步骤为：
(1)将分析纯的碳酸钾、碳酸钠、五氧化二铌、碳酸钡、二氧化锡、三氧化二铋和三氧化二铁按化学计量比0.92K0.5Na0.5NbO3-(0.08-x)BaSnO3-xBiFeO3进行配料，式中0.01≤x≤0.07，其中x为摩尔数；
(2)将步骤(1)配制好的原料放到球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇，所加的氧化锆球质量为原料质量的2～8倍，采用湿磨法进行球磨混合4～24小时，转速为200～450转/分钟；取出置于烘箱中在80℃～140℃条件下烘干；烘干的粉体放入坩埚中，经以1～5℃/min的升温速率升至800～1000℃，保温2～8小时；
(3)将步骤(2)所得的煅烧粉体放入球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇，所加的氧化锆球质量为原料质量的2～8倍，采用湿磨法进行球磨混合4～24小时，转速为200～450转/分钟；
(4)将步骤(3)所得的浆料烘干，过筛40～120目筛网得到粉体，然后加入质量百分比浓度为3～9％的聚乙烯醇溶液进行造粒，所加聚乙烯醇溶液的质量为粉体质量的5～25％；造好的粉体颗粒在200～400MPa压力下压制成型，然后以1～2℃/min升温至400～600℃进行排胶，以3～5℃/min升温至1000～1200℃下烧结，保温1-～10小时，即可得到铌酸钠钾基无铅压电陶瓷。
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