[發(fā)明專利]一種KNN-LS無(wú)鉛壓電陶瓷及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310482698.0
• 申請(qǐng)日: 2013-10-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103601493A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 談國(guó)強(qiáng);郝航飛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 陜西科技大學(xué)
• 主分類號(hào): C04B35/495
• 分類號(hào): C04B35/495;C04B35/622
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 徐文權(quán)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷領(lǐng)域，涉及一種KNN-LS無(wú)鉛壓電陶瓷及其制備方法。?

背景技術(shù)

壓電、鐵電陶瓷是功能陶瓷材料中應(yīng)用最廣泛的一類，廣泛應(yīng)用在換能器、驅(qū)動(dòng)器、聲表面波以及濾波器、諧振器、限波器等頻率器件領(lǐng)域，包括電容器陶瓷在內(nèi)的壓電、鐵電陶瓷在世界市場(chǎng)份額中占整個(gè)功能陶瓷的三分之一。?

1954年美國(guó)B.Jaffe等發(fā)現(xiàn)了PbZrO₃-PbTiO₃(PZT)體系，該體系中存在著與溫度無(wú)關(guān)的相變，在相變點(diǎn)附近壓電性能出現(xiàn)極值。衍生出一系列新的壓電陶瓷材料。但是，由于在PZT系陶瓷中PbO的含量超過(guò)原料總質(zhì)量的60%以上，PbO是易揮發(fā)性的有毒物質(zhì)，長(zhǎng)時(shí)間工作在具有PbO的環(huán)境中，PbO將蓄積在人的體內(nèi)，致使大腦和神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷。另外，鉛基壓電陶瓷被廢棄后因管理不善而被丟棄在大自然中，鉛可以通過(guò)酸雨等途徑帶入水中、滲進(jìn)土壤，造成對(duì)地下水和農(nóng)田的污染，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的危害。歐盟規(guī)定到2006年7月1日，所有新生產(chǎn)的電子產(chǎn)品都應(yīng)是無(wú)鉛的。我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部也將鉛等有害物質(zhì)列入電子信息產(chǎn)品污染防治目錄，但是，由于現(xiàn)在無(wú)鉛壓電陶瓷的性能還無(wú)法達(dá)到取代鉛基壓電陶瓷的要求，所以只能暫時(shí)把含鉛的壓電陶瓷列在被禁止的名單之外。然而，由于人類可持續(xù)發(fā)展的需要，壓電陶瓷的無(wú)鉛化是最終的發(fā)展方向。?

目前，在壓電陶瓷無(wú)鉛化的研究與開(kāi)發(fā)上，世界各國(guó)均進(jìn)行了大量的工作。?無(wú)鉛壓電陶瓷體系主要有6類：(1)鈦酸鋇BaTiO₃,BT)基無(wú)鉛壓電陶瓷;(2)鈦酸鉍鈉(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃,BNT)基無(wú)鉛壓電陶瓷;(3)鉍層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷;(4)鈮酸鹽系(包括K_0.5Na_0.5NbO₃,KNN)無(wú)鉛壓電陶瓷;(5)鎢青銅結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷(6)根據(jù)Satensky規(guī)則摻雜、復(fù)合取代改性而新開(kāi)發(fā)的無(wú)鉛壓電陶瓷體系。?

與其它體系陶瓷相比，KNN系無(wú)鉛壓電陶瓷因具有介電常數(shù)小、壓電性能高、頻率常數(shù)大、密度小、居里溫度高等特點(diǎn)，成為當(dāng)前最有可能取代鉛基壓電陶瓷的體系之一。然而，傳統(tǒng)工藝獲得KNN壓電陶瓷有以下的缺點(diǎn):(1)在1140℃以上，KNN會(huì)出現(xiàn)液相，所以KNN的溫度穩(wěn)定性被限制在1140℃以下。(2)由于在900℃左右Na和K會(huì)以氧化物Na₂O和K₂O形成開(kāi)始揮發(fā)，造成預(yù)燒和燒結(jié)的氣氛很難控制；(3)KNN在潮濕的環(huán)境時(shí)非常容易發(fā)生潮解，使化學(xué)計(jì)量發(fā)生偏離，導(dǎo)致產(chǎn)生雜相，使陶瓷難以燒結(jié)致密。上述原因都限制了KNN體系材料的實(shí)際應(yīng)用。為了優(yōu)化KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)，提高KNN基陶瓷的壓電性能，各國(guó)學(xué)者從添加燒結(jié)助劑、A位和B位摻雜取代、添加新組元等方面對(duì)KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷進(jìn)行了大量研究；同時(shí)，結(jié)合熱壓、放電等離子、熱等靜壓燒結(jié)等工藝方法，以期獲得致密的KNN陶瓷；然而上述制備方法對(duì)設(shè)備要求過(guò)高、生產(chǎn)工藝苛刻、生產(chǎn)成本較高、材料尺寸受到限制，而且制得的陶瓷的穩(wěn)定性也不能令人滿意，因此難以獲得工業(yè)化應(yīng)用。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種KNN-LS無(wú)鉛壓電陶瓷及其制備方法，該方法工藝簡(jiǎn)單、能耗低、成本低，制得的KNN-LS無(wú)鉛壓電陶瓷的化學(xué)式為(1-x)(0.5KNbO₃-0.5NaNbO₃)-xLiSbO₃（x=0～0.09）。?

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：?

一種KNN-LS無(wú)鉛壓電陶瓷，其化學(xué)式為：?

(1-x)(0.5KNbO₃-0.5NaNbO₃)-xLiSbO₃，其中x=0～0.09。?

其為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其壓電常數(shù)d₃₃=82～182pC/N，機(jī)電耦合系數(shù)K_p=24～33％，機(jī)械品質(zhì)因子Q_m=33.2～100.1，居里溫度T_c=317.3～425.1℃。?

當(dāng)x≤0.04時(shí)KNN-LS無(wú)鉛壓電陶瓷的主晶相為正交鈣鈦礦結(jié)構(gòu)；當(dāng)x≥0.08時(shí)KNN-LS無(wú)鉛壓電陶瓷的主晶相為四方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。?

一種KNN-LS無(wú)鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下步驟：?