[發明專利]鈣鈦礦結構高居里溫度無鉛壓電陶瓷及其制備方法

有效

• 申請號: 200910051651.2
• 申請日: 2009-05-21
• 公開（公告）號: CN101891472A
• 公開（公告）日: 2010-11-24
• 發明（設計）人: 曾江濤;李國榮;鄭嘹贏;張望重;張陽紅;殷慶瑞
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495;C04B35/622;H01L41/187
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及鈣鈦礦結構高居里溫度無鉛壓電陶瓷及其制備方法，屬于無機材料配方及處理工藝研究。

背景技術

壓電陶瓷是一種重要的信息功能材料，在驅動器、傳感器等諸多領域都有廣泛的應用。自從上世紀50年代發現了準同型相界的鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷具有非優異的壓電性能后，這種鉛基壓電陶瓷在各壓電應用領域逐漸占據了統治地位。

但是PZT系列壓電陶瓷也有一些缺點，其一是這種陶瓷含有大量有毒的PbO，在生產過程中及丟棄后會對環境產生嚴重污染；另外一個缺點是這種陶瓷居里溫度較低(一般低于400℃)。壓電陶瓷在其居里溫度以上會失去壓電性能，因此PZT基的壓電陶瓷使用溫度一般不高。為了進一步提高其使用溫度，現有的研究一般采用鈦酸鉛(PT)為基的壓電陶瓷，如PbTiO₃-Bi(M₁M₂)O₃(其中M₁，M₂為Fe³⁺Sc³⁺，Mg²⁺，Ni²⁺，Ti⁴⁺等金屬陽離子中的一種或者它們的組合)。這些配方盡管具有較高的居里溫度，但是仍然屬于含鉛的體系，不利于環境保護。另一類高溫壓電陶瓷體系如含鉍層狀結構壓電陶瓷盡管具有較高的居里溫度，但是由于其壓電性能較低(壓電常數d₃₃≤20pC/N)，因此，這種陶瓷只是在某些特定場合獲得了應用，如作為高溫加速度計，在許多需要高壓電性能及大功率的場合無法發揮作用。

鈮酸鉀鈉K_0.5Na_0.5NbO₃是一種很有潛力的無鉛壓電材料，這種材料具有較高的居里溫度及較好的壓電性能，對這種材料的改性研究一般采用A位或者B位替代，如((K_0.5Na_0.5)_1-xA_x)(Nb_1-yB_y)O₃這種方法能提高材料的壓電性能，但是由于取代元素固溶度有限，對于其居里溫度提高不是非常明顯，此類材料一般居里溫度低于460℃。本發明采用在K_0.5Na_0.5NbO₃體系中加入少量的鈮酸鋰鉀K₃Li₂Nb₅O₁₅對其進行改性，同時對陶瓷采用二次極化工藝，獲得了兼具高居里點及高性能的無鉛壓電陶瓷。

發明內容

本發明的目的在于針對現有PZT體系含鉛及居里溫度低的特點，提出了一鈣鈦礦結構高居里溫度無鉛壓電陶瓷及其制備方法。

本發明在無鉛壓電陶瓷K_0.5Na_0.5NbO₃的基礎上，通過添加少量的K₃Li₂Nb₅O₁₅。這種材料的組成通式可以寫成：(1-x)K_0.5Na_0.5Nb_1-ySb_yO3-xK₃Li₂Nb₅O₁₅，式中x，y，z表示組成元素的摩爾數，其數值選擇范圍為0＜x≤0.1，0≤y≤0.1

本發明的壓電陶瓷材料可以采用Na₂CO₃、Li₂CO₃、K₂CO₃及Nb₂O₅和Sb₂O₃為主要原料，按照普通陶瓷制備工藝進行。具體制備方法是：按照通式稱量氧化物或者碳酸鹽原料，在行星式球磨機中球磨及混合4-6小時，經充分干燥后，裝入氧化鋁坩堝。在850-950℃下預合成4-6小時。預合成后的粉末在行星式球磨機中球磨4-6小時，干燥后加含5％PVA的粘結劑10％，在200MPa壓力下成型，以0.8-1℃/min的升溫速度加熱至650℃以燒掉其中的有機物，最后在1050℃-1150℃溫度下燒結2-3小時。燒結后的陶瓷片兩面燒滲銀電極后，放在120℃-160℃的硅油中，加上4-6kV/mm電壓極化30分鐘。