[發明專利]鈮酸鉀鈉-鋯鈦酸鉍鈉系無鉛壓電陶瓷

有效

• 申請號: 201310200214.9
• 申請日: 2013-05-24
• 公開（公告）號: CN103288451A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 肖定全;王卓;李方旭;吳家剛;朱建國;余萍
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495
• 代理公司: 成都科海專利事務有限責任公司 51202
• 代理人: 黃幼陵

技術領域

本發明屬于鈣鈦礦結構環境協調性壓電陶瓷領域，特別涉及一種鈮酸鉀鈉-鋯鈦酸鉍鈉系無鉛壓電陶瓷。

背景技術

傳統的鋯鈦酸鉛（PZT）基壓電陶瓷以其優異的電學性能而廣泛應用于傳感器、換能器及蜂鳴器等電子器件。但其原料中氧化鉛（或四氧化三鉛）含量高達60%以上，使這類材料在制備、使用和廢棄過程中對人類健康和自然環境造成嚴重危害。2004年，世界鐵電學大師Eric?Cross在Nature雜志上發表以“Lead-free?at?last”為題的短評，強調了壓電陶瓷的無鉛化是必然趨勢。我國是壓電陶瓷材料與器件生產和出口的大國，國家信息產業部也出臺了《電子信息產品生產污染防治管理辦法》，以限制電子產品中含鉛，并于?2007年3?月1?日生效。因此，為了滿足社會可持續發展和環境保護的要求，研究和開發無鉛壓電陶瓷材料具有重大的社會經濟意義。

目前廣泛研究的無鉛壓電陶瓷有四大體系：鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷、BaTiO₃(BT)基無鉛壓電陶瓷、Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)基無鉛壓電陶瓷及堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷(KNN)。堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷以其相對優越的壓電性能和較高的居里溫度而倍受關注，被認為是最有望取代鉛基壓電陶瓷的無鉛壓電陶瓷體系之一。目前KNN基無鉛壓電陶瓷研究主要集中于降低其正交-四方相變溫度，在室溫附近構建正交-四方相界，通過在B位引入Ta等昂貴的稀土金屬，形成[(K_uNa_v)_1-zLi_z][Nb_αSb_βTa_γ]O₃，可將壓電系數可提升到200~300?pC/N，如此使得堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷材料成本昂貴，這嚴重阻礙了無鉛壓電陶瓷的實用化進程。因此，盡可能地提高堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷電學性能以及開發低成本的堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷材料體系的研究成為當前鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷研究的兩大主題。

發明內容

本發明的目的在于克服KNN基無鉛壓電陶瓷的不足，提供一種鈮酸鉀鈉-鋯鈦酸鉍鈉系無鉛壓電陶瓷，該無鉛壓電陶瓷不僅具有優異的電學性能，而且不含貴金屬原料，節約成本。

為了實現本發明的目的，本發明的技術方案是：根據相結構設計的思路在ABO₃型鈣鈦礦結構的KNN基無鉛壓電陶瓷中，添加Bi³⁺取代部分A位離子降低正交-四方相變溫度到室溫附近，同時添加Zr⁴⁺或/和Ti⁴⁺取代部分B位離子將三方-正交相變溫度提升至室溫附近，進而制備出具有三方-四方新型相界結構的KNN基無鉛壓電陶瓷。

本發明所述鈮酸鉀鈉-鋯鈦酸鉍鈉系無鉛壓電陶瓷，由通式(1-x)(K_uNa_v)NbO₃-xBi_0.5Na_0.5Zr_1-yTi_yO₃表示，式中，x,?y,?u,?v表示相應元素在該無鉛壓電陶瓷中所占有的原子數百分比，0＜x≤0.05,?0≤y≤0.3，0.40≤u≤0.55，0.45≤v≤0.60，且u+?v=1。

本發明所述鈮酸鉀鈉-鋯鈦酸鉍鈉系無鉛壓電陶瓷中還含有固態金屬氧化物M，其通式為?(1-x)(K_uNa_v)NbO₃-xBi_0.5Na_0.5Zr_1-yTi_yO₃+a?M（wt%），固態金屬氧化物M的含量a為基礎材料?(1-x)(K_uNa_v)NbO₃-xBi_0.5Na_0.5Zr_1-yTi_yO₃的0.1~1?wt%；所述固態金屬氧化物M為Cu或Mn的氧化物。