[發(fā)明專利]高壓電常數(shù)鈮銻酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉鉀無鉛壓電陶瓷及制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310392216.2
• 申請日: 2013-09-02
• 公開（公告）號: CN103482977A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳家剛;王曉鵬;程曉靜;肖定全;朱建國
• 申請（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495;C04B35/622
• 代理公司: 成都科海專利事務(wù)有限責(zé)任公司 51202
• 代理人: 劉雙蘭

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種無鉛壓電陶瓷，特別涉及一種高壓電常數(shù)的鈮銻酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉鉀二元系無鉛壓電陶瓷及其制備方法，屬于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)環(huán)境協(xié)調(diào)性壓電陶瓷領(lǐng)域。?

背景技術(shù)

高性能壓電陶瓷是具有重要且廣泛應(yīng)用的、國際競爭極為激烈的高技術(shù)新材料；這類材料與國家經(jīng)濟社會發(fā)展、國家安全、人們生活質(zhì)量密切相關(guān)。高性能壓電陶瓷已被廣泛地應(yīng)用于頻率控制器件、換能器、傳感器以及制動器等電子器件中。它在光電子技術(shù)、信息技術(shù)、精密控制技術(shù)、無損檢測技術(shù)等與國民經(jīng)濟和國家安全相關(guān)的高新科技領(lǐng)域具有舉足輕重的地位和作用。上世紀(jì)50年代發(fā)展起來的鋯鈦酸鉛(PbZr_1-xTi_xO₃、PZT)基陶瓷因其優(yōu)異的壓電特性，如壓電常數(shù)d₃₃高達450-750pC/N和平面機電耦合系數(shù)k_p高達50-70%，已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟、國防和國家安全的各個方面。PZT陶瓷在全世界鐵電壓電材料市場中占據(jù)絕大部分份額，然而這類壓電陶瓷中氧化鉛的含量約占原料總量的70％，在其生產(chǎn)、使用及廢棄后的處理過程中都會給人類和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。隨著人們對自然生存環(huán)境關(guān)注程度的提高，為了實現(xiàn)經(jīng)濟、社會、環(huán)境和資源的協(xié)調(diào)發(fā)展，近十年來，世界各國對無鉛壓電材料的研究也非常重視，一系列法律法規(guī)相繼出臺。例如，2003年的歐盟已經(jīng)通過RoHS法令、日本通過“家用電子產(chǎn)品回收法案”、我國于2006年出臺的《電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理辦法》等等。正是這樣的國際形勢下，一場壓電陶瓷無鉛化的研發(fā)浪潮正席卷全球壓電領(lǐng)域。高性能無鉛壓電陶瓷的研發(fā)關(guān)系到國家命運和社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一件大事。?

近年來，世界各國已投入大量的人力、物力及財力來研究高性能無鉛壓電材料。從結(jié)構(gòu)上看，無鉛壓電陶瓷主要分為以下三類：鎢青銅結(jié)構(gòu)、鉍層狀結(jié)構(gòu)和鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。這三類結(jié)構(gòu)的無鉛壓電體系都存在各自的優(yōu)缺點，如鎢青銅結(jié)構(gòu)和鉍層狀結(jié)構(gòu)雖然具有高的居里溫度，但是其壓電常數(shù)低；鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的無鉛壓電陶瓷雖具有較高的壓電性能和高的居里溫度，但到目前為止其壓電常數(shù)還難以超越PZT。堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷以其相對優(yōu)越的壓電性能和較高的居里溫度而倍受關(guān)注，被認(rèn)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，通過在室溫構(gòu)建正交-四方相界區(qū)域，堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷的壓電常數(shù)可提升至200～350pC/N。因此，提升堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷的壓電性能的研究成為當(dāng)前無鉛壓電陶瓷研究的主旋律。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的正是在于增強鈮酸鈉鉀（KNN）基無鉛壓電陶瓷的壓電性能，提供一種高壓電常數(shù)的鈮銻酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉鉀二元系無鉛壓電陶瓷，以及提供該無鉛壓電陶瓷的制備方法。該方法采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制備的鈮銻酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉鉀二元系無鉛壓電陶瓷，其壓電常數(shù)d₃₃可高達470pC/N，平面機電耦合系數(shù)k_p可達47％，居里溫度T_c高達313℃。?

為實現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實現(xiàn)的。?

本發(fā)明的基本思路是：通過相結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化來實現(xiàn)鈮銻酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉鉀二元系無鉛壓電陶瓷高壓電性能的目的，其具體作法是：添加Bi_0.5(Na_1-uK_u)_0.5(0≤u≤1)來降低鈮銻酸鉀鈉的正交-四方相變溫度到室溫附近，即降低在20～40℃左右；添加Zr⁴⁺將鈮銻酸鉀鈉的三方-正交相變溫度提升至室溫附近，即提升至20～40℃左右；同時為了使鈮銻酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉鉀陶瓷的正交-四方相變溫度以及三方-正交相變溫度向室溫靠近，因此引入Sb；進而制備出具有三方-四方新型相界結(jié)構(gòu)的鈮銻酸鉀鈉-鋯酸鉍鈉鉀二元系無鉛壓電陶瓷，其通式為(1-x)(K_1-yNa_y)(Nb_1-zSb_z)O_x+xBi_0.5(Na_1-uK_u)_0.5ZrO₃。?