[發明專利]鉍離子替代改性的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備方法

無效

• 申請號: 200710017913.4
• 申請日: 2007-05-24
• 公開（公告）號: CN101311139A
• 公開（公告）日: 2008-11-26
• 發明（設計）人: 杜紅亮;劉代軍;周萬城;羅發;朱冬梅;蘇曉磊;王曉燕
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495;C04B35/626;C04B35/634;C01G33/00;H01L41/187
• 代理公司: 西北工業大學專利中心
• 代理人: 慕安榮

一、技術領域

本發明涉及功能陶瓷制備技術領域，具體是一種鉍離子替代改性的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備方法。

二、背景技術

壓電陶瓷以其獨特的性能，在商業、軍事、汽車、計算機、醫學以及消費等領域中的應用日益廣泛。長久以來，對壓電陶瓷的研究和生產主要都集中于傳統的鋯鈦酸鉛Pb(Zr，Ti)O₃(簡稱PZT)系列壓電陶瓷上。但是傳統的鋯鈦酸鉛陶瓷是一類含鉛陶瓷，其中氧化鉛(或四氧化三鉛)約占原料總質量的70％左右。含鉛壓電陶瓷在制備、使用過程中及廢棄后處理過程中都會給環境和人類健康帶來很大的損害。隨著人們生態環保意識的提高和社會可持續發展戰略的實施，開發具有環境協調性的壓電陶瓷已成為壓電材料研究領域的重點。

鈮酸鉀鈉(K_0.5Na_0.5)NbO₃陶瓷是由鐵電體KNbO₃和反鐵電體NaNbO₃組成的固溶體。因其理論密度低、居里溫度高，同時具有優良的壓電性能和機械性能而受到人們的關注，被認為是最有潛在應用前景的一類壓電陶瓷材料。然而，采用傳統陶瓷工藝難以獲得致密性良好的陶瓷體。因為(K_0.5Na_0.5)NbO₃的相穩定性被限制在1140℃，溫度大于1140℃時，KNN將不能以固態形式存在。因此在制備時不能達到更高的燒結溫度，這就阻礙了KNN陶瓷體的致密化。其次，由于在燒結過程中Na₂O和K₂O的揮發，使化學計量比發生偏離，導致產生另外一種雜相K₄Nb₆O₇，當該物質遇到潮濕的環境時，非常容易發生潮解，這極大地限制了該類材料的應用。

為了改善鈮酸鉀鈉陶瓷的燒結特性，提高其致密化程度和電學性能，BaTiO₃，SrTiO₃，LiNbO₃，LiTaO₃等作為第二組元被引入鈮酸鉀鈉中形成新的固溶體。由于這些新組元的加入使相轉變(正交相到四方相)溫度從200℃(純KNN陶瓷)到室溫，從而提高了這些新的鈮酸鉀鈉基陶瓷的壓電性能。但是，相轉變溫區在室溫的出現大大降低了這些新的鈮酸鉀鈉基陶瓷壓電性能的溫度穩定性，這樣就限制了這些新的鈮酸鉀鈉基陶瓷的實際應用。在申請號為200710017813.1的發明專利申請中，公開了一種鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備方法。在該發明申請中，通過摻雜三氧化二鉍，改善了鈮酸鉀鈉陶瓷的燒結特性，提高了它的壓電性能。制備時，通過先合成鈮酸鉀鈉粉體，然后再根據化學配比添加三氧化二鉍。盡管摻雜改性可以提高材料的壓電性能，但是摻雜很容易在陶瓷的晶界留下殘留物，降低材料的性能。

三、發明內容

為克服現有技術中存在的通過摻雜三氧化二鉍改善鈮酸鉀鈉陶瓷的燒結特性時，很容易在陶瓷的晶界留下殘留物，降低材料的性能的不足，本發明提出了一種鉍離子替代改性的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備方法。

本發明以鉍離子替代改性的鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷，即[(K_0.5Na_0.5)_1-3xBi_x]NbO₃(0.0≤x≤0.05)無鉛壓電陶瓷。本發明的原材料包括無水碳酸鉀、無水碳酸鈉、五氧化二鈮，三氧化二鉍，其化學計量比為[(K_0.5Na_0.5)_1-3xBi_x]NbO₃(0.0≤x≤0.05)無鉛壓電陶瓷，其中0.0≤x≤0.05。其具體方案是，通過添加Bi離子，使鉍離子替換(K_0.5Na_0.5)NbO₃陶瓷中的A位離子，使鈮酸鉀鈉陶瓷的燒結特性和鐵電性能增強，進而提高其壓電性能。在制備時，根據電價平衡的原理，添加Bi離子的同時減少K離子和Na離子，并且產生了A位空位，進而達到提高壓電和鐵電性能的目的。

本發明的制備方法是：

1)配料：將分析純的無水碳酸鉀、無水碳酸鈉、五氧化二鈮和三氧化二鉍烘干，按化學計量比為[(K_0.5Na_0.5)_1-3xBi_x]NbO₃(0.0≤x≤0.05)配料。