[發(fā)明專利]一種高壓電性能和高穩(wěn)定型抗還原鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201910003934.3
• 申請日: 2019-01-03
• 公開（公告）號: CN111393162A
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發(fā)明（設計）人: 王曉慧;岑偵勇;李龍土
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495;C04B35/622;C04B35/626;C04B35/638;C04B41/88
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢;王春霞

本發(fā)明公開了一種高壓電性能和高穩(wěn)定型抗還原鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備方法。所述壓電陶瓷的化學式如下：(1?x)[(1?y)K_0.5Na_0.5Nb_1?zTa_zO₃?yBi_0.5(Na_0.82K_0.18)_0.5ZrO₃]?xCaZrO₃+k％M；其中，x、y、z和k表示摩爾分數(shù)，0≤x≤0.03，0.02≤y≤0.05，0≤z≤0.12，0.2≤k≤0.6，且x、y和z不同時為零；M表示錳化合物。本發(fā)明提供的抗還原型鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，壓電常數(shù)d₃₃達275pC/N以上，平面機電耦合系數(shù)k_p可達0.50，在50kV/cm電場下，陶瓷應變可達0.20％，最大逆壓電常數(shù)d₃₃^*達到500pm/V(E＝25kV/cm)。在35kV/cm電場下，樣品室溫d₃₃^*＝460pm/V，并且在波動為±10％范圍內，逆壓電系數(shù)d₃₃^*的溫度穩(wěn)定在Te＝125℃之內。

技術領域

本發(fā)明涉及一種高壓電性能和高穩(wěn)定型抗還原鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備方法，屬于無鉛壓電陶瓷材料技術領域。

背景技術

在壓電驅動器市場中，鉛基壓電材料占據(jù)主導地位，例如PZT基壓電陶瓷。而由于鉛基材料在生產和廢棄過程中，都會對人體和環(huán)境導致危害，因此，許多國家和地區(qū)已經(jīng)立法限制或者禁止鉛基材料的使用。這就要求研制能夠取代鉛基壓電材料的無鉛壓電材料。雖然，當前的無鉛壓電陶瓷的研究進展迅速，但是，其壓電性能尚與鉛基材料存在一些差距。在驅動器應用方面，主要問題是壓電位移量不足和溫度穩(wěn)定性欠佳。

壓電材料多層化技術是解決無鉛壓電材料應變不足的最佳手段，即通過多層結構設計可以提高壓電材料的總位移量。對同等厚度的無鉛基壓電材料，施加同等壓電時，多層結構設計的壓電材料的應變量可成倍提高，即

總位移量S_總＝層數(shù)(N)×單層(S_單)

隨著科學技術的不斷進步，電子信息技術產業(yè)也得到了飛速發(fā)展。壓電陶瓷材料的應用研究逐漸深入各個領域之中，未來市場對電子元器件設計提出了新的要求，要做到小型化、功能化、低成本、高穩(wěn)定性和多層化。多層化器件中的內電極通常使用銀鈀電極，這類電極的價格昂貴，不利于降低器件的成本。因此，采用廉價的賤金屬內電極為最佳的方案。以鎳電極為例，鎳電極作為內電極的優(yōu)勢有：1、鎳電極成本低，僅為常規(guī)的Pd30-Ag70電極的5％左右；2、鎳原子的電遷移速度較Ag或Pd-Ag小，因而具有良好的電化學穩(wěn)定性，可以提高多層壓電陶瓷的可靠性；3、鎳電極對焊料的耐腐蝕性和耐熱性好，工藝穩(wěn)定性好；4、Ni電極的抗氧化性要優(yōu)于Ag電極；5、Ni電極具有很高的熔點，可達1300℃以上，可實現(xiàn)與陶瓷基體共燒。

由于鎳金屬電極在400℃以上發(fā)生氧化反應，這個氧化溫度遠低于陶瓷的燒結溫度，因此，在多層陶瓷材料高溫共燒時，必須提供還原氣氛作為保護。因此，這對壓電材料本身提出了新的要求，即還要具有良好的抗還原特性。因此需要提供一種抗還原無鉛壓電陶瓷。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種高壓電性能和高穩(wěn)定型抗還原鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備方法，該方法在還原氣氛下燒結得到鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，具有居里溫度(Tc)高、壓電性能優(yōu)異、抗還原特性和高的逆壓電系數(shù)d^*₃₃的溫度穩(wěn)定性(Te)。

本發(fā)明所提供的抗還原鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，其化學式如下：