[發明專利]高致密度的鈮銻酸鉀鈉鋰-鋯酸鉍鈉鈣二元系無鉛壓電陶瓷及其制備方法

在審

• 申請號: 201610034408.X
• 申請日: 2016-01-19
• 公開（公告）號: CN105732032A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: 郭益平;張凱;段華南;潘迪;陳玉潔;李華;劉河洲
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 蔣亮珠

技術領域

本發明涉及一種無鉛壓電陶瓷，尤其是涉及一種高致密度的鈮銻酸鉀鈉鋰-鋯酸鉍鈉鈣二元系無鉛壓電陶瓷及其制備方法，屬于鈣鈦礦結構環境協調性壓電陶瓷領域。

背景技術

壓電陶瓷作為一種重要的功能性陶瓷，常被應用在傳感器、驅動器、超聲換能器、蜂鳴器和電子點火器等器件中，在工業生產和人們的日常生活中發揮著至關重要的作用。含鉛壓電陶瓷，如Pb(Zr,Ti)O₃(縮寫為PZT)由于其優異的壓電性能，一直主導著壓電陶瓷的市場。但是由于過高的含鉛量(～60wt％)，在陶瓷的制備，使用，甚至廢棄后的處理過程都會給人體和環境帶來不可逆轉的惡劣影響。隨著人們環保意識的提升和社會的廣泛關注，很多國家和地區都頒布實施了一些法令來限制鉛等有害物質的使用，比如，歐盟在2003年通過了“限制在電子電氣產品中使用有害物質的指令”(RoHS)；日本通過了“家用電子設備回收法”；我國在2006年也頒發了“電子信息產品生產污染防治管理辦法”等一系列法規。盡管由于技術問題，一些含鉛壓電裝置暫時具有豁免權，但是到2016年七月份這些豁免權就失效了。所以無鉛壓電陶瓷的研究迫在眉睫。

無鉛壓電陶瓷的研究，主要無鉛壓電陶瓷的目前主要有BaTiO₃-體系，(K,Na)NbO₃-體系，(Bi,Na)TiO₃-體系等，而(K,Na)NbO₃陶瓷因為其相對較高的壓電系數和較高的居里溫度而得到了很大的關注，特別是saito等通過模板晶粒生長法，制備了KNN-基陶瓷壓電系數d₃₃≈416pC/N后，進一步掀起了KNN-基陶瓷的研究熱潮。為了提升KNN-基壓電陶瓷的性能，通常的研究方法有三種：納米疇工程，晶粒取向方法和相界工程。但是對于KNN-基陶瓷來講，雖然很多研究在壓電性能上獲得了很大的提升，但是由于陶瓷的致密度較低，在實際應用中得到了很大的限制。為了提高陶瓷的致密度，現在常用的方法多為特殊的加工工藝，比如：激光等離子體燒結，熱壓燒結等。但是這些特殊的加工工藝，工藝過程復雜，加工成本高不適合工業化的生產。目前通過室溫構建相界，可以使堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷的性能得到大幅度的提升，因此，提升堿金屬鈮酸鹽無鉛壓電陶瓷的壓電性和致密度成為鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷應用的研究的主方向。

發明內容

本發明的目的就是為了用傳統的固相燒結工藝制備高壓電系數和高致密度的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，提供一種高致密度的鈮銻酸鉀鈉鋰-鋯酸鉍鈉鈣二元系無鉛壓電陶瓷。該方法采用傳統固相燒結法制備的鈮銻酸鉀鈉鋰-鋯酸鉍鈉鈣二元系無鉛壓電陶瓷，其致密度高達4.63g/cm³，壓電常數d₃₃為267pC/N，平面機電耦合系數k_p可達45.2％，T_c高達253℃

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

本發明的基本思路是：通過相結構的設計與優化來實現鈮銻酸鉀鈉鋰-鋯酸鉍鈉鈣二元系無鉛壓電陶瓷高致密度，高壓電性能的目的，其具體方法是：添加Sb在將鈮酸鉀鈉鋰-鋯酸鉍鈉鈣陶瓷體系的正交-四方相變溫度降低，同時提升鈮酸鉀鈉鋰-鋯酸鉍鈉鈣陶瓷體系的三方-正交相變溫度；從而在室溫下形成三方-四方兩相共存的鈮銻酸鉀鈉鋰-鋯酸鉍鈉鈣二元系無鉛壓電陶瓷，其通式為(k_0.48,Na_0.52)_0.95Li_0.05Nb_1-xSb_x-0.03Ca_0.5(Bi_0.5,Na_0.5)ZrO₃。

本發明所述的一種高致密度的鈮銻酸鉀鈉鋰-鋯酸鉍鈉鈣二元系無鉛壓電陶瓷，由通式(k_0.48,Na_0.52)_0.95Li_0.05Nb_1-xSb_x-0.03Ca_0.5(Bi_0.5,Na_0.5)ZrO₃表示，式中的x代表壓電陶瓷體系中Sb元素在組元中所占的原子數，即原子百分比，式中x＝0.01,0.030.05-0.08,0.10。

本發明所述高致密度的鈮銻酸鉀鈉鋰-鋯酸鉍鈉鈣二元系無鉛壓電陶瓷，其晶體結構為鈣鈦礦結構。