CN1974481A - 一种铌酸钾钠系无铅压电陶瓷的激光制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铌酸钾钠系无铅压电陶瓷的激光制备方法属于无铅压电陶瓷领域。现有技术难以得到具有晶粒的取向生长特征的高致密度铌酸钾钠系压电陶瓷。本发明按NaxK1－xNbO3配料、预烧、压片成陶瓷素坯后，以激光为热源进行辐照预热，时间30～60s，温度150～300℃；预热后升温，速度10～20℃/min，升温至800～1100℃时向该陶瓷试样喷氧气或氮气；30～120s后沿轴向方向作提拉运动，速度为0.02～0.06mm/s；提拉1～10mm后降温关光，继续通氧气或氮气3～10min。该陶瓷平均相对密度大于97％，Tc可达400℃以上，d33在30～70pC/N之间。
Description
技术领域
本发明属于无铅压电陶瓷制备领域。
背景技术
压电陶瓷广泛应用于信息、激光、导航和生物等高技术领域。然而现在大规模使用的多为铅基压电陶瓷材料，在生产、使用及废弃后的处理过程中都会给人类和生态环境造成严重危害，因此开发新型高性能无铅压电陶瓷是一项迫切的、具有重大社会和经济意义的任务。与铅基材料相比，传统烧结方法制备的无铅压电陶瓷致密度低，性能难以满足生产实际需要，提高其性能的主要途径一直以寻找新的高性能组分体系为主。因此目前文献所公开和报道的均为对采用离子掺杂或取代置换的多组元铌酸盐无铅压电陶瓷体系配方工艺的保护，如中国专利公开号CN1511802A，中国专利公开号CN1644562A，中国专利公开号CN1810711A等。文献《高性能铌酸钾钠无铅压电陶瓷研制》(电子元件与材料Vol.24No.11)，《铌钽酸盐无铅压电陶瓷的制备与性能》(电子元件与材料Vol.23No.11)以及其它有关铌酸钾钠系研究的代表性文献：Y.P.Guo，K.I.Kakimoto，et al.：Materials Letters，59(2005)241、S.D.Bu，E.Shin，et al：Applied Physics Letters，73(1998)1442等所报道的也均为在准同形相界附近寻找新化学组分体系的压电材料，以达到改善陶瓷压电性能的目的。
单晶压电材料在某一方向能呈现比其它方向大得多的压电性能，但制备成本高，制备尺寸受限。利用晶粒定向技术，有可能制取和单晶相仿的晶粒具有取向生长特征的新型陶瓷材料，达到改善压电性能的目的。文献Nature，432(2004)84报道，Yasuyoshi Saito等人采用反应模板的方法，通过将外延生长的薄片多层叠加后烧结，制备出性能可达到实际应用标准的具有晶粒取向特征的(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.84Ta0.10Sb0.06)O3多晶陶瓷。但该种技术工艺环节多，流程复杂，成本高，而且还必须考虑合适模板晶粒的添加，不宜实现大规模的批量化生产。文献《压电陶瓷晶粒定向技术》(电子元件与材料Vol.23No.11)也集中介绍了包括该研究成果在内的几种常见及在研的压电陶瓷晶粒定向技术，但没有与激光制备相关的晶粒定向生长技术的报道。中国专利ZL 200410050131.7，ZL03148244.9，ZL03148245.7等报道了激光烧结介电陶瓷和透明陶瓷技术，但铌酸钾钠系压电陶瓷具有不同于上述陶瓷的特点，因而在制备技术上有其自身特点及独特的严格性，不同于上述陶瓷的制备技术。具体体现在：1、需要特殊的技术工艺来实现陶瓷中晶粒的取向生长，达到改善陶瓷压电性能的目的。2、需要在烧结过程中抑制Na、K等易挥发性元素的挥发，才能确保得到高致密度成瓷。3、制备中需要严格监控温度，因此需要将对激光功率的监控通过测温系统转化为对样品温度的实时严格监控，以对烧结中瞬态液相的产生及消失过程进行控制，提高陶瓷的致密度，并有利于获得陶瓷钙钛矿的纯相结构，以保证成瓷的良好物理性能。这些都是上述已公布的中国专利技术方案所无法实现的。
经文献和专利检索，目前有关具有晶粒取向生长特征的高致密度铌酸钾钠系无铅压电陶瓷及其激光制备方法还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用激光作为直接热源，在不添加模板晶粒，不经热锻、热压等后期处理的情况下，制备具有晶粒取向生长特征的高致密度铌酸钾钠系无铅压电陶瓷，获得优良的物理性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
1)以Nb2O5、K2CO3、Na2CO3为原料，按照化学式NaxK1-xNbO3进行配料、预烧、压片成陶瓷素坯后，以激光为热源进行辐照预热，预热时间30～60s，预热温度150～300℃；
2)预热结束后升温，升温速度10～20℃/min，升温至800～1100℃时向该陶瓷试样喷氧气或氮气；
3)经30～120s后，将上述陶瓷试样沿轴向方向作提拉运动，速度为0.02～0.06mm/s；
4)完成提拉距离1～10mm后，降温关光，继续通氧气或氮气3～10min；
在上述步骤3)和步骤4)的过程中一直向该陶瓷试样喷氧气或氮气，整个过程中的温度控制是以激光为热源进行辐照。
按照上述工艺方法，可得到具有晶粒取向生长特征的高致密度(ρ＝4.41～4.46g/cm3)压电陶瓷，居里温度高(Tc＞400℃)。经极化后，压电常数d33在30～70pC/N之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.在开放式的烧结过程中可通过程序对激光功率进行瞬时调节并通过测温系统实时严格控温，还可辅以微机控制样品台或激光头的提拉及在烧结过程中通入工作气氛，来较准确地控制陶瓷晶粒的取向生长过程和致密化过程。
2.制备出的NaxK1-xNbO3无铅压电陶瓷致密度高(ρ＝4.41～4.46g/cm3)，相对密度可大于97％。
3.烧结高温(800～1100℃)下经历时间短(＜10分钟)，加之通以工作气氛，易于抑制Na、K等原子在高温下的挥发，保证组分配比。
4.制备出的NaxK1-xNbO3无铅压电陶瓷具有纯相的钙钛矿结构，有利于压电性能的提高。
5.本发明以获得晶粒取向生长且提高陶瓷致密度的途径来改善钙钛矿型无铅压电陶瓷的压电性能，因此不受限于组分配比，工艺方法适合于制备各组分配比的铌酸钾钠系陶瓷材料。
附图说明
图1是本发明所制备Na0.5K0.5NbO3无铅压电陶瓷粉末X射线衍射图。可以看出，所制备无铅压电陶瓷具有纯相的钙钛矿结构。
图2(a)是本发明所制备Na0.5K0.5NbO3无铅压电陶瓷显微结构激光共聚焦扫描图。与图2(b)所示传统烧结方法制备的同组分陶瓷显微结构相比，可以看出激光烧结试样的晶粒具有明显的取向生长特征，气孔率低，致密度高。
图3是本发明所制备Na0.35K0.65NbO3无铅压电陶瓷介电温谱图。可以看出激光烧结Na0.5K0.5NbO3无铅压电陶瓷在和410℃具有明显的相变点，符合该种材料的纯相相变特征，同时具有410℃的高居里点，显示出良好的工作温度特性。
图4是本发明所制备Na0.85K0.15NbO3无铅压电陶瓷谐振曲线图，曲线光滑无杂波。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
实施例1：
采用低功率激光辐照预热由Nb2O5、K2CO3、Na2CO3粉料经配料、预烧、压片而成的陶瓷素坯，通过测温系统进行样品温度实时监控，预热时间30s，预热温度150℃，然后以20℃/min的速度提高激光功率密度进行升温，至900℃时，采用喷嘴向烧结中陶瓷片通氧，50s后，微机控制样品台或激光头沿陶瓷片轴向方向作提拉运动，提拉速度为0.02mm/s，完成提拉距离1mm后，降温关光，继续通氧5min。
试样性能值：ρ＝4.45g/cm3，Tc＝400℃，d33＝57pC/N，ε＝311.52，tanδ(％)＝4.94。
实施例2：
采用低功率激光辐照预热由Nb2O5、K2CO3、Na2CO3粉料经配料、预烧、压片而成的陶瓷素坯，预热时间60s，预热温度270℃，然后以15℃/min的速度提高激光功率密度进行升温，至1100℃时，采用喷嘴向烧结中陶瓷片通氧，30s后，微机控制样品台或激光头沿陶瓷片轴向方向作提拉运动，提拉速度为0.05mm/s，完成提拉距离5mm后，降温关光，继续通氧3min。
试样性能值：ρ＝4.46g/cm3，Tc＝410℃，d33＝63pC/N，ε＝303.46，tanδ(％)＝4.09。
实施例3：
采用低功率激光辐照预热由Nb2O5、K2CO3、Na2CO3粉料经配料、预烧、压片而成的陶瓷素坯，预热时间50s，预热温度300℃，然后以10℃/min的速度提高激光功率密度进行升温，至800℃时，采用喷嘴向烧结中陶瓷片通氧，120s后，微机控制样品台或激光头沿陶瓷片轴向方向作提拉运动，提拉速度为0.06mm/s，完成提拉距离10mm后，降温关光，继续通氧10min。
试样性能值：ρ＝4.46g/cm3，Tc＝412℃，d33＝70pC/N，ε＝309.78，tanδ(％)＝4.25。
实施例4：
采用低功率激光辐照预热由Nb2O5、K2CO3、Na2CO3粉料经配料、预烧、压片而成的陶瓷素坯，预热时间60s，预热温度300℃，然后以10℃/min的速度提高激光功率密度进行升温，至900℃时，采用喷嘴向烧结中陶瓷片通氮，80s后，微机控制样品台或激光头沿陶瓷片轴向方向作提拉运动，提拉速度为0.05mm/s，完成提拉距离10mm后，降温关光，继续通氮10min。
试样性能值：ρ＝4.41g/cm3，Tc＝385℃，d33＝34pC/N，ε＝297.21，tanδ(％)＝4.02。
Claims (1)
1、一种铌酸钾钠系无铅压电陶瓷的激光制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)以Nb2O5、K2CO3、Na2CO3为原料，按照化学式NaxK1-xNbO3进行配料、预烧、压片成陶瓷素坯后，以激光为热源进行辐照预热，预热时间30～60s，预热温度150～300℃；
2)预热结束后升温，升温速度10～20℃/min，升温至800～1100℃时向该陶瓷试样喷氧气或氮气；
3)经30～120s后，将上述陶瓷试样沿轴向方向作提拉运动，速度为0.02～0.06mm/s；
4)完成提拉距离1～10mm后，降温关光，继续通氧气或氮气3～10min；
在上述步骤3)和步骤4)的过程中一直向该陶瓷试样喷氧气或氮气，整 个过程中的温度控制是以激光为热源进行辐照。
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