[發明專利]一種鈮酸鈉鉀鋰基無鉛壓電陶瓷及其制備方法

無效

• 申請號: 200710099675.6
• 申請日: 2007-05-28
• 公開（公告）號: CN101062864A
• 公開（公告）日: 2007-10-31
• 發明（設計）人: 張波萍;趙培;李松杰;丁小年;張海龍
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495;C04B35/64;H01B3/12;H01L41/187
• 代理公司: 北京科大華誼專利代理事務所
• 代理人: 劉月娥

技術領域

本發明屬于環境友好型能源材料領域，特別是提供一種鈮酸鉀鈉鋰基無鉛壓電陶瓷材料及其制備方法。

背景技術

目前廣泛應用的壓電陶瓷材料是Pb(Ti，Zr)O₃(PZT)，PbTiO₃-PbZrO₃-ABO₃(ABO₃為復合鈣鈦礦型鐵電體)及PbTiO₃等鉛基陶瓷，其中鉛的質量分數大約為70％。這類陶瓷在生產、使用及廢棄后處理過程中都會給人類和生態環境造成嚴重損害，開發無鉛壓電材料已勢在必行。目前已經報道的無鉛壓電陶瓷有鎢青銅結構陶瓷體系、鈮酸鉀基陶瓷體系、鉍層狀結構陶瓷體系和鈦酸鋇陶瓷體系，其中鈮酸鹽無鉛壓電陶瓷是最有希望取代含鉛壓電陶瓷的體系之一。2004年文獻1(Nature，2004?Vol?432，p?84-87)報道了鋰、鉭和銻共同改性的鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷的壓電性能，經模板法制備的織構陶瓷的壓電常數可達416pC/N。但對于常壓燒結且不經任何改性的鈮酸鈉鉀陶瓷，據文獻3(Applied?Physics?Letter.2004，Vol?85，p412)報道其壓電常數只有97pC/N。文獻4(Applied?Physics?Letter.2005，Vol?59，p241-244)和文獻5(Applied?Physics?Letter.2006，Vol?88，p212)報道了通過添加改性元素能有效地提高鈮酸鈉鉀基陶瓷的壓電性能，文獻7(Journal?of?American?Society.1962，Vol?45，p209-13)和文獻8(MaterialsScience?Forum.2005，p475-479)報道了利用熱壓燒結和放電等離子體燒結等先進制備工藝，得到了性能良好的致密陶瓷材料。通過元素改性和優化制備工藝等手段，無鉛鈮酸鈉鉀基陶瓷的壓電性能有了明顯的提高，正在不斷地逼近實際應用水平，目前該領域已經公開發表的專利內容如下。專利CN1609047A公開了結晶取向陶瓷及制備方法，該陶瓷的通式為：{Li_x(K_1-yNa_y)_1-x}{Nb_1-z-wTa_zSb_w}O₃，其中0≤x≤0.2，0≤y≤1，0≤z≤0.4，0≤w≤0.2，x+z+w>0，其特征在于以鈮酸鈉鉀為基礎，添加鋰、鉭、銻等改性元素，并在此基礎上將其制成具有織構組織的陶瓷材料，不包括多晶陶瓷材料。專利CN1810711A公開了一種高居里點鈮酸鈉鉀鋰基無鉛壓電陶瓷及制備方法，陶瓷的通式可表示為：(1-u)[(1-z)(Li_xNa_yK_1-x-y)NbO₃+zMTiO₃]+uMnO₂，其中x、y、z表示復合離子中相應元素材料在各組元中所占原子百分比，且所有原子總數和為1，0.01≤x≤0.2，0.2≤y≤0.7，0.01≤z≤0.25，0≤u≤0.05，其特征在于在鈮酸鈉鉀鋰的基礎上，加入一種或幾種Mg、Ca、Sr、Ba的鈦酸鹽或氧化物進行改性。專利CN1884198A公開了鈮鉭酸鈉鉀基無鉛壓電陶瓷及制備方法，其特征在與以鈮鉭酸鈉鉀為基礎，基料的通式為：(K_1-xNa_x)(Nb_1-yTa_y)O₃其中x＝0.1～0.9，y＝0.01～0.30)，在此基礎上添加Cu²⁺、Sb⁵⁺、Sn⁴⁺、Li⁺中的任一種或任幾種進行改性。專利CN1511802A公開了一類多組元鈮酸鹽系無鉛壓電陶瓷，其權利要求成分為：(Li_xNa_yK_1-x-y)(Nb_1-zR_z)O₃或在此基礎上添加一種或一種以上的LMnO₃，式中，0<x≤0.3，0<y<1，0<(x+y)<1，0≤z≤0.4，R為Ta或Sb或兩者的復合離子，L為Y、Er、Ho、Dy、Tm、Lu、Yb、Lu、Nd、Sm稀土族金屬元素，LMnO₃的添加比例為0-17wt％，(Li_xNa_yK_1-x-y)(Nb_1-zR_z)O₃的比例為83-17wt％。本專利的特征是以鈮酸鈉鉀鋰為基礎，首先通過Ta、Sb對Nb進行B位取代，然后進行稀土族金屬元素摻雜。專利CN1644562A公開了鈮酸鈉鉀體系無鉛壓電陶瓷及其制備方法。專利CN1388089A雖然報道了以Na、Li、Nb及O元素為主要成分構成的鈣鈦礦結構化合物，其通式為：(1-u)[(1-z)Na_1-xLi_x)_1-yK_y](Nb_1-zTa_z)O₃-nM1M2O₃，其中，0.02≤x≤0.3，0≤y≤0.2，0≤z≤0.2，0≤n≤0.1，M1為二價金屬，M2為四價金屬，但其添加元素不僅有鉭，還有其他金屬元素，并且鉀的摩爾分數在0～0.2之間。到目前為止已經公開的專利的共同特征就是陶瓷材料的通式為ABO₃，A位原子摩爾分數之和均為1，也就是說它們都屬于化學計量比范疇。專利CN1919791A公開了一種高Qm的鈮酸鈉鉀基無鉛壓電陶瓷及其中頻諧振器，其特征是以鈮酸鈉鉀為基礎，其通式為(Na_xK_1-x+δ)Nb_1+zO₃+wmolCuO，式中0≤x≤1，0≤δ≤0.1，0≤z≤0.2，0≤w≤0.1，然后摻雜CuO來實現高諧振的。雖然該公開專利是目前唯一涉及A位原子摩爾分數之和包括一部分非化學計量比成分的專利，但是不含鋰元素，其壓電常數偏低僅為90～120。