CN105272244A - 一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法，属于功能陶瓷材料领域。该陶瓷由下列通式所示的化学组成(ABO₃)_1-x(BaZrO₃)_y(MnO₂)_y。制备方法为，将K₂CO₃、Na₂CO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃、Li₂CO₃、TiO₂、BaCO₃、ZrO₂、MnO₂混合加入无水乙醇球磨，并烘干得到混合粉料，并将该粉料进行预烧结；将烧结后的粉料加入无水乙醇再次球磨，并烘干得到混合粉料；将混合粉料冷压成型得到陶瓷粗胚，将陶瓷粗胚烧结得到陶瓷样品；将陶瓷样品极化处理得到铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。本发明制得的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷具有优异的压电性能与温度稳定性。

Description

一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于功能陶瓷材料领域，尤其涉及一种高性能无铅压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷材料由于能够实现电能和机械能的相互转换，被广泛应用于军事、医疗、工业领域，应用包括超声波换能器，压电传感器，超声波马达，精确定位装置以及压电驱动器等。在实际应用中，往往要求材料具有较好的压电性能和机电耦合的性能，有时还需要材料在产生较大应变的同时能够提供较大的驱动力，对材料的服役性能提出了很高的要求。目前，锆钛酸铅(PZT)基压电陶瓷材料由于其优异的性能、简单的制备工艺以及较低的成本而占据了几乎全部的市场，但锆钛酸铅基压电陶瓷材料含有大量有毒的铅，在材料的制备、使用、废弃处理过程中均会对人体和环境造成严重的危害。包括中国、欧盟、日本等在内的世界各国已出台相关法律法规以限制铅在电子工业产品中的使用。因此，研究性能优异的、环境友好的高性能无铅压电陶瓷材料是一项迫切的、具有重大社会和经济价值的课题。

2004年，Saito等人报道的使用织构方法制备的掺杂改性铌酸钾钠基压电陶瓷，d₃₃高达416pC/N，可以与PZT基压电陶瓷相媲美。此里程碑式的突破将铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的研究推向了新的高潮，也使得铌酸钾钠基无铅压电陶瓷被认为是最具希望替代PZT基压电陶瓷的体系之一。就工业化应用来说，要求材料不仅在室温时具有出色的压电性能，且应表现出较好的温度稳定性。一篇铌酸钾钠基无铅压电陶瓷专利中的(ABO₃)-_1-x(CaZrO₃)_x(MnO₂)_y体系表现了优异的温度稳定性，在室温至175摄氏度温度范围内的不波动不超过10％。而既能在室温下产生大应变，也能在高温下保持相对高应变性能的无铅压电陶瓷在实际工业应用中是需要的。对铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，可以通过掺杂将多晶型相界调控至室温附近以提高材料压电性能。但PPT是同时受温度和成分调控的，从而使得材料的压电响应对温度变化比较敏感，不利于其工业化应用。因此，提高铌酸钾钠基无铅压电陶瓷压电性能的温度稳定性成为具有重要生产实践意义的问题。相比之下，得益于近乎垂直而不受温度影响的准同型相界MPB，PZT基压电材料兼备优异的压电性能和温度稳定性。基于以上原因，通过掺杂改性在铌酸钾钠基无铅压电材料中引入准同型相界有望克服其温度敏感性以加快其实用化进程。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有技术的不足，提出了一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法，采用本方法制备的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷具有优异的压电性能与温度稳定性。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其特征在于，该铌酸钾钠基无铅压电陶瓷由下列通式所示的化学组成：(ABO₃)_1-x(BaZrO₃)_y(MnO₂)_y，其中，A为选自Na、K、Bi、Li的至少之一，B为选自Nb和Ti的至少之一，x表示BaZrO₃所占铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的原子百分比，y为MnO₂所占铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的质量百分比，并且0≤x≤0.10，0≤y≤0.00。

上述铌酸钾钠基无铅压电陶瓷具有但不限于下列之一所示的化学组成：

(NaKBiLiNbTiO₃)_0.97–(BaZrO₃)_0.03；(NaKBiLiNbTiO₃)_0.97–(BaZrO₃)_0.03–0.01MnO₂；(NaKBiLiNbTiO₃)_0.96–(BaZrO₃)_0.04–0.01MnO₂；(NaKBiLiNbTiO₃)_0.96–(BaZrO₃)_0.04–0.02MnO₂；

(NaKBiLiNbTiO₃)_0.95–(BaZrO₃)_0.05–0.03MnO₂；(NaKBiLiNbTiO₃)_0.95–(BaZrO₃)_0.05–0.04MnO₂；

(NaKBiLiNbTiO₃)_0.94–(BaZrO₃)_0.06–0.01MnO₂；(NaKBiLiNbTiO₃)_0.94–(BaZrO₃)_0.06–0.02MnO₂；(NaKBiLiNbTiO₃)_0.93–(BaZrO₃)_0.07–0.03MnO₂；(NaKBiLiNbTiO₃)_0.92–(BaZrO₃)_0.08–0.01MnO₂。

本发明提出的一种制备所述铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的方法，具体包括如下步骤：

1)本发明原料为分析纯K₂CO₃、Na₂CO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃、Li₂CO₃、TiO₂、BaCO₃、ZrO₂、MnO₂；将原料按化学式(ABO₃)_1-x(BaZrO₃)_y(MnO₂)_y，其中，A为选自Na、K、Bi、Li的至少之一，B为选自Nb和Ti的至少之一，x表示BaZrO₃所占铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的原子百分比，y为MnO₂所占铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的质量百分比，并且0≤x≤0.10，0≤y≤0.08的配比进行称量、混合，加入无水乙醇作为介质，球磨12～24h，将得到的浆料烘干，得到混合粉料；

2)将步骤1)得到的混合粉料在空气气氛中900～1100℃的温度下预烧结4h；

3)将步骤2)得到的预烧结后的混合粉料加入无水乙醇作为介质，再次球磨12～24h，并将得到的浆料烘干，得到二次球磨的混合粉料；

4)将步骤3)得到的二次球磨的混合粉料冷压成型为直径10mm、厚度1.0～1.5mm的圆片，得到陶瓷粗坯；

5)将步骤4)得到的陶瓷粗坯在氧气气氛中1150～1300℃的温度下烧结2～4h，得到陶瓷样品；

6)将步骤5)得到的陶瓷样品进行极化处理，即将陶瓷样品两端涂上银电极置于80～120℃的硅油中，然后在3～5kV/mm的直流电场强度下保温保压25～40min，得到铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。

本发明的特点和有益效果是：

MnO₂会对铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的压电性能有积极作用，当MnO₂的含量占铌酸钾钠基无铅压电陶瓷总质量的0.01～0.05时，可以提高铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的压电性能，这是因为适量MnO₂的掺入有利于铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的烧结，能够有效降低压电陶瓷的烧结温度，以得到更加致密的压电陶瓷。若不加入MnO₂或者加入MnO₂过量会使压电陶瓷较难烧结或者引入杂相，从而降低铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的压电性能。

本发明制得的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷在室温下(30℃)，其具有270～380pC/N的正向压电常数d₃₃，700～850pm/V的反向压电常数d₃₃*，0.56的机电耦合系数；在高温下(175℃)，其具有250pC/N以上的正向压电常数d₃₃，375pm/V以上的反向压电常数d₃₃*，0.40的机电耦合系数。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

本发明提出的一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其特征在于，该铌酸钾钠基无铅压电陶瓷由下列通式所示的化学组成(ABO₃)_1-x(BaZrO₃)_y(MnO₂)_y，其中，A为选自Na、K、Bi、Li的至少之一，B为选自Nb和Ti的至少之一，x表示BaZrO₃所占铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的原子百分比，y为MnO₂所占铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的质量百分比，并且0≤x≤0.10，0≤y≤0.08。

上述铌酸钾钠基无铅压电陶瓷具有但不限于下列之一所示的化学组成：

(NaKBiLiNbTiO₃)_0.97–(BaZrO₃)_0.03；(NaKBiLiNbTiO₃)_0.97–(BaZrO₃)_0.03–0.01MnO₂；(NaKBiLiNbTiO₃)_0.96–(BaZrO₃)_0.04–0.01MnO₂；(NaKBiLiNbTiO₃)_0.96–(BaZrO₃)_0.04–0.02MnO₂；

(NaKBiLiNbTiO₃)_0.95–(BaZrO₃)_0.05–0.03MnO₂；(NaKBiLiNbTiO₃)_0.95–(BaZrO₃)_0.05–0.04MnO₂；

(NaKBiLiNbTiO₃)_0.94–(BaZrO₃)_0.06–0.01MnO₂；(NaKBiLiNbTiO₃)_0.94–(BaZrO₃)_0.06–0.02MnO₂；(NaKBiLiNbTiO₃)_0.93–(BaZrO₃)_0.07–0.03MnO₂；(NaKBiLiNbTiO₃)_0.92–(BaZrO₃)_0.08–0.01MnO₂。

本发明提出的一种制备所述铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的方法，按照K₂CO₃:Na₂CO₃:Nb₂O₅:Bi₂O₃:Li₂CO₃:TiO₂:BaCO₃:ZrO₂:MnO₂为2.4840–2.6772g:1.9080–2.0564g:19.1520–20.6416g:0.1864–1.0027g:0.0299–0.1525g:0.1096–0.3840g；0.3152–0.9456g:0.2952–0.5904g:0–0.2603g的比例进行配料制备铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。具体包括如下步骤：

1)将上述配好的原料混合，加入无水乙醇为介质，球磨12～24h，将得到的浆料烘干，得到混合粉料；

2)将步骤1)得到的混合粉料在空气气氛中900～1100℃的温度下预烧结4h；

3)将步骤2)得到的预烧结后的混合粉料加入无水乙醇为介质，再次球磨12～24h，并将得到的浆料烘干，得到二次球磨的混合粉料；

4)将步骤3)得到的二次球磨的混合粉料冷压成型为直径10mm、厚度1.0～1.5mm的圆片，得到陶瓷粗坯；

5)将步骤4)得到的陶瓷粗坯在氧气气氛中1150～1300℃的温度下烧结2～4h，得到陶瓷样品；

6)将步骤5)得到的陶瓷样品进行极化处理，即将陶瓷样品两端均匀涂上银电极置于80～120℃的硅油中，然后在3～5kV/mm的直流电场强度下极化25～40min，得到铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。

实施例1

原料：2.4840gK₂CO₃，1.9080gNa₂CO₃，19.1520gNb₂O₅，1.0027gBi₂O₃，0.1525gLi₂CO₃、0.3840gTiO₂、0.4728gBaCO₃、0.2952gZrO₂、0gMnO₂。

1、将上述配好的原料混合，加入无水乙醇为介质，球磨24h，将得到的浆料烘干，得到混合粉料；

2、将混合粉料在空气气氛中1000℃的温度下预烧结4h；

3、将预烧结的混合粉料加入无水乙醇为介质，再次球磨24h，并将得到的浆料烘干，得到二次球磨的混合粉料；

4、将二次球磨的混合粉料冷压成型为直径10mm、厚度1.5mm的圆片，得到陶瓷粗坯；

5、将陶瓷粗坯在氧气气氛中1250℃的温度下烧结3h，得到陶瓷样品；

6、将陶瓷样品两端均匀涂上银电极置于100℃的硅油中，然后在3kV/mm的直流电场强度下极化40min。

由此，制备得到具有通式为(NaKBiLiNbTiO₃)_0.97–(BaZrO₃)_0.03的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。

实施例2

原料：2.5958gK₂CO₃，1.9429gNa₂CO₃，20.0141gNb₂O₅，0.3417gBi₂O₃，0.0872gLi₂CO₃、0.2432gTiO₂、0.3152gBaCO₃、0.3936gZrO₂、0.1740gMnO₂。

1、将上述配好的原料混合，加入无水乙醇为介质，球磨24h，将得到的浆料烘干，得到混合粉料；

2、将混合粉料在空气气氛中900℃的温度下预烧结4h；

3、将预烧结的混合粉料加入无水乙醇为介质，再次球磨24h，并将得到的浆料烘干，得到二次球磨的混合粉料；

4、将二次球磨的混合粉料冷压成型为直径10mm、厚度1.5mm的圆片，得到陶瓷粗坯；

5、将陶瓷粗坯在氧气气氛中1200℃的温度下烧结2h，得到陶瓷样品；

6、将陶瓷样品两端均匀涂上银电极置于100℃的硅油中，然后在4kV/mm的直流电场强度下极化25min。

由此，制备得到具有通式为(NaKBiLiNbTiO₃)_0.96–(BaZrO₃)_0.04–0.02MnO₂的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。

实施例3

原料：2.5392gK₂CO₃，1.9504gNa₂CO₃，19.3677gNb₂O₅，0.5524gBi₂O₃，0.0691gLi₂CO₃、0.1943gTiO₂、0.7880gBaCO₃、0.4920gZrO₂、0.2595gMnO₂。

1、将上述配好的原料混合，加入无水乙醇为介质，球磨18h，将得到的浆料烘干，得到混合粉料；

2、将混合粉料在空气气氛中900℃的温度下预烧结4h；

3、将预烧结的混合粉料加入无水乙醇为介质，再次球磨18h，并将得到的浆料烘干，得到二次球磨的混合粉料；

4、将二次球磨的混合粉料冷压成型为直径10mm、厚度1.0mm的圆片，得到陶瓷粗坯；

5、将陶瓷粗坯在氧气气氛中1150℃的温度下烧结3h，得到陶瓷样品；

6、将陶瓷样品两端均匀涂上银电极置于80℃的硅油中，然后在5kV/mm的直流电场强度下极化25min。

由此，制备得到具有通式为(NaKBiLiNbTiO₃)_0.95–(BaZrO₃)_0.05–0.03MnO₂的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。

实施例4

原料：2.5595gK₂CO₃，2.0564gNa₂CO₃，19.5776gNb₂O₅，0.1864gBi₂O₃，0.0299gLi₂CO₃、0.1536gTiO₂、0.8210gBaCO₃、0.4984gZrO₂、0.2603gMnO₂。

1、将上述配好的原料混合，加入无水乙醇为介质，球磨12h，将得到的浆料烘干，得到混合粉料；

2、将混合粉料在空气气氛中1100℃的温度下预烧结4h；

3、将预烧结的混合粉料加入无水乙醇为介质，再次球磨12h，并将得到的浆料烘干，得到二次球磨的混合粉料；

4、将二次球磨的混合粉料冷压成型为直径10mm、厚度1.5mm的圆片，得到陶瓷粗坯；

5、将陶瓷粗坯在氧气气氛中1300℃的温度下烧结4h，得到陶瓷样品；

6、将陶瓷样品两端均匀涂上银电极置于120℃的硅油中，然后在4kV/mm的直流电场强度下极化40min。

由此，制备得到具有通式为(NaKBiLiNbTiO₃)_0.94–(BaZrO₃)_0.06–0.01MnO₂的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。

实施例5

原料：2.6772gK₂CO₃，1.9267gNa₂CO₃，20.6416gNb₂O₅，0.8713gBi₂O₃，0.0871gLi₂CO₃、0.1096gTiO₂、0.9456gBaCO₃、0.5904gZrO₂、0.1740gMnO₂。

1、将上述配好的原料混合，加入无水乙醇为介质，球磨12h，将得到的浆料烘干，得到混合粉料；

2、将混合粉料在空气气氛中1000℃的温度下预烧结4h；

3、将预烧结的混合粉料加入无水乙醇为介质，再次球磨12h，并将得到的浆料烘干，得到二次球磨的混合粉料；

4、将二次球磨的混合粉料冷压成型为直径10mm、厚度1.0mm的圆片，得到陶瓷粗坯；

5、将陶瓷粗坯在氧气气氛中1200℃的温度下烧结2h，得到陶瓷样品；

6、将陶瓷样品两端均匀涂上银电极置于80℃的硅油中，然后在3kV/mm的直流电场强度下极化30min。

由此，制备得到具有通式为(NaKBiLiNbTiO₃)_0.93–(BaZrO₃)_0.07–0.02MnO₂的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其特征在于，该铌酸钾钠基无铅压电陶瓷由下列通式所示的化学组成(ABO₃)_1-x(BaZrO₃)_y(MnO₂)_y，其中，A为选自Na、K、Bi、Li的至少之一，B为选自Nb和Ti的至少之一，x表示BaZrO₃所占铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的原子百分比，y为MnO₂所占铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的质量百分比，并且0≤x≤0.10，0≤y≤0.08。

2.一种制备铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)本发明原料为分析纯K₂CO₃、Na₂CO₃、Nb₂O₅、Bi₂O₃、Li₂CO₃、TiO₂、BaCO₃、ZrO₂、MnO₂；将原料按化学式(ABO₃)_1-x(BaZrO₃)_y(MnO₂)_y，其中，A为选自Na、K、Bi、Li的至少之一，B为选自Nb和Ti的至少之一，x表示BaZrO₃所占铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的原子百分比，y为MnO₂所占铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的质量百分比，并且0≤x≤0.10，0≤y≤0.08的配比进行称量、混合，加入无水乙醇作为介质，球磨12～24h，将得到的浆料烘干，得到混合粉料；

2)将步骤1)得到的混合粉料在空气气氛中900～1100℃的温度下预烧结4h；

3)将步骤2)得到的预烧结后的混合粉料加入无水乙醇作为介质，再次球磨12～24h，并将得到的浆料烘干，得到二次球磨的混合粉料；

4)将步骤3)得到的二次球磨的混合粉料冷压成型为直径10mm、厚度1.0～1.5mm的圆片，得到陶瓷粗坯；

5)将步骤4)得到的陶瓷粗坯在氧气气氛中1150～1300℃的温度下烧结2～4h，得到陶瓷样品；

6)将步骤5)得到的陶瓷样品进行极化处理，即将陶瓷样品两端涂上银电极置于80～120℃的硅油中，然后在3～5kV/mm的直流电场强度下保温保压25～40min，得到铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。