CN1511800A - 钛酸铋钠钾锂系无铅压电陶瓷 - Google Patents

Abstract

一类钛酸铋钠钾锂系无铅压电陶瓷，属于钙钛矿结构环境协调性压电陶瓷领域。本发明提出的无铅压电陶瓷可以用通式[Bi_1－z(Na_1－x－yK_xLi_y)_z]TiO₃+aM_αO_β(wt％)来表示，式中0＜x＜1，0＜y＜1，0＜(x+y)＜1，0.3≤z≤0.7，M_αO_w是一种或多种掺杂氧化物，其含量a占主要成分[Bi_1－z(Na_1－x－yK_xLi_y)_z]TiO₃的重量比为0－10％，M为+1—+6价且能与氧形成固态氧化物的元素，α和β分别表示相关氧化物中相应的元素M和氧的原子数。该体系压电陶瓷的d₃₃可达150pC/N以上，k_p可达26.0％以上，其工艺稳定，可采用传统压电陶瓷制备技术和工业用原材料获得，具有实际应用的价值。

Description

钛酸铋钠钾锂系无铅压电陶瓷

一、技术领域

本发明涉及一类新型无铅压电陶瓷，属于钙钛矿结构环境协调性压电陶瓷领域。

二、背景技术

自二十世纪四十年代中期，发现钛酸钡陶瓷的压电性后，压电陶瓷的研究开发非常活跃，压电陶瓷及压电陶瓷制作的元器件已广泛地应用于工业特别是信息产业领域。以锆钛酸铅(Pb(Ti，Zr)O₃)为代表的铅基二元系和以锆钛酸铅(Pb(Ti，Zr)O₃)为基料，添加第三组元[如以铌镁酸铅(Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃)为代表]的铅基三元系压电陶瓷材料具有优良的压电铁电性能、高的居里温度。目前，工业生产中应用的压电陶瓷绝大多数是该类铅基压电陶瓷。

但是，由于铅基压电陶瓷材料中，PbO或Pb₃O₄的含量约占原料总量的70％。PbO或Pb₃O₄在高温下易挥发，从而使铅系压电陶瓷在生产、使用及废弃后处理过程中给人类及生态环境造成严重危害，不利于人类社会的可持续发展。近年来，寻找不含铅的、性能优越的压电陶瓷体系已受到了世界各国的重视。例如：专利CN85 100426、JP11-217262、JP2000-22235、JP2000-272962提供了ABO3结构的组成式为[Bi_0.5(Na_1-xK_x)_0.5]TiO₃的压电陶瓷化合物，其A位为Bi、Na、K；B位为Ti。专利JP2000-44335也给出了组成式为[Bi_0.5(Na_1-xLi_x)_0.5]TiO₃的压电陶瓷化合物，其A位为Bi、Na、Li：B位为Ti。但这些无铅压电陶瓷的性能距实际应用还有一些差距。

三、发明内容

本发明的目的就是为了克服已有的铅基压电陶瓷体系本身固有的缺陷，提出了一类新的非铅基、具有优良的压电铁电性能并能够实用的压电陶瓷。

为实现本发明的目的，本发明针对ABO₃结构的(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃压电陶瓷体，提出了一类组成的材料可以用通式[Bi_1-z(Na_1-x-yK_xLi_y)_z]TiO₃表示的钙钛矿型无铅压电陶瓷，其A位为Bi、Na、K及Li组成的复合离子，式中的x、y、z表示组成元素材料的原子数，其数值的范围为：0＜x＜1，0＜y＜1，0＜(x+y)＜1，0.3≤z≤0.7。

本发明还可以是由前面提出的通式表示的基料中添加一种或一种以上其他金属氧化物作为改性添加剂，即基料+掺杂物组成压电陶瓷，可获得不同性能的本类无铅压电陶瓷。添加掺杂物后的无铅压电陶瓷可以用通式表示为[Bi_1-z(Na_1-x-yK_xLi_y)_z]TiO₃+M_αO_β，式中的x、y、z表示组成元素材料的原子数，其数值范围为：0＜x＜1，0＜y＜1，0＜(x+y)＜1，0.3≤z≤0.7；M_αO_w表示一种或多种元素组成的掺杂氧化物，M代表+1一+6价且能与氧形成  氧化物的元素，如Na、K、Li、Al、Cu、Fe、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、Y、Sc、Mn、Ca、Ba、Sr、Mg或Si等，α和β分别表示相关氧化物中相应的元素M和氧的原子数。掺杂物在压电陶瓷原料中的比例为原料总重量的0-10Wt％；基料占90-100Wt％。

本发明提出的钙钛矿型无铅压电陶瓷具有优良的压电铁电性能，从图1压电陶瓷体系样品的谐振曲线图中可以看出曲线光滑无杂波。在其材料性能参数中，耦合系数K_p达到150以上，压电常数d₃₃为26以上。本发明的优点是：1.材料体系为无铅压电陶瓷；2.压电铁电性能优良；3.工艺稳定；4.可采用传统工业用原材料和压电陶瓷制备技术制备，适用于规模生产。

四、附图说明

图1为多元系无铅压电陶瓷体系样品的谐振曲线图。

五、具体实施方式

制备本发明的压电陶瓷可以采用工业纯或化学纯的Bi₂O₃、Na₂CO₃、K₂CO₃、Li₂CO₃、TiO₂为原料，可以根据不同需要选择相关金属氧化物作为掺杂物M_αO_β。制备过程是：按通式[Bi_1-z(Na_1-x-yK_xLi_y)_z]TiO₃或按照比例(Wt％)添加M_αO_β后的化学计量比称量原料，经充分球磨混匀后，装入氧化铝坩埚内，在800-900℃温度下进行预烧，保温时间为4-6小时。预烧合成的粉末再经球磨工艺磨细、加粘结剂、成型、排塑，然后在1100-1200℃温度下烧结2-3小时。烧结后的陶瓷片被上银电极，在100-120℃的硅油中，在3-4kV/mm的电压下极化10-15分钟。最后，按IRE标准对制成的压电陶瓷测量压电等性能参数。

实施例：

下面是几种无铅压电陶瓷实施例的配方以及测得的压电性能参数：

一、采用[Bi_0.5(Na_0.7K_0.25Li_0.05)_0.5]TiO₃组成无铅压电陶瓷，制备好的压电陶瓷的性能为：

d₃₃(pC/N)   ε₃₃/ε₀  k_p(％)   泊松比

150           1280       22.1       0.285

二、采用[Bi_0.5(Na_0.6K_0.35Li_0.05)_0.5]TiO₃组成无铅压电陶瓷，制备好的压电陶瓷的性能为：

d₃₃(pC/N)   ε₃₃/ε₀  k_p(％)   泊松此

120           1750       26.4       0.174

三、采用[Bi_0.5(Na_0.65K_0.25Li_0.1)_0.5]TiO₃(99.5Wt％)；添加LiO₂(0.5Wt％)组成无铅压电陶瓷，制备好的压电陶瓷的性能为：

d₃₃(pC/N)   ε₃₃/ε₀  k_p(％)   泊松比

100           1110       17.3       0.295

四、采用Bi_0.5(Na_0.7K_0.25Li_0.0.5)TiO₃(98Wt％)；添加CeO₂(2Wt％)组成无铅压电陶瓷，制备好的压电陶瓷的性能为：

d₃₃(pC/N)   ε₃₃/ε₀  k_p(％)   泊松此

150           1280       22.1       0.285

五、采用[Bi_0.5(Na_0.06K_0.35Li_0.05)_0.5]TiO₃(94Wt％)；添加Er₂O₃(3Wt％)和Yb₂O₃(3Wt％)组成无铅压电陶瓷，制备好的压电陶瓷的性能为：

d₃₃(pC/N)   ε₃₃/ε₀  k_p(％)   泊松比

120           1750       26.4       0.174

六、采用[Bi_0.5(Na_0.65K_0.25Li_0.1)_0.5]TiO₃(95.5Wt％)；添加LiO₂(0.5Wt％)、Dy₂O₃(2Wt％)和Yb₂O₃(2Wt％)组成无铅压电陶瓷，制备好的压电陶瓷的性能为：

d₃₃(pC/N)      ε₃₃/ε₀  k_p(％)   泊松此

110             1110        17.4       0.295

七、采用[Bi_0.5(Na₀₆K_0.3Li_0.1)_0.5]TiO₃(98Wt％)；添加CaO(2Wt％)组成无铅压电陶瓷，制备好的压电陶瓷的性能为：

d₃₃(pC/N)     ε₃₃/ε₀   k_p(％)   泊松此

118             1200        21.5       0.273

Claims (3)

1.一类钙钛矿结构无铅压电陶瓷，其特征在于是用通式[Bi_1-z(Na_1-x-yK_xLi_y)_z]TiO₃表示的材料组成，式中：0＜x＜1，0＜y＜1，0＜(x+y)＜1，0.3≤z≤0.7。

2.如权利要求1的压电陶瓷，其特征在于在材料中添加了一种或多种氧化物M_αO_β作为改性添加剂，添加剂的含量为0-10％重量比，其余材料的含量为90-100％重量比。

3.如权利要求2的压电陶瓷，其特征在于M为+1—+6价且能形成氧化物的Na、K、Li、Al、Cu、Fe、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、Y、Sc、Mn、Ca、Ba、Sr、Mg、Si元素。