[發明專利]一種鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備方法

有效

• 申請號: 202010097045.0
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111302797B
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 吳家剛;張楠;陶紅;鄭婷
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495;C04B35/622;H01L41/187
• 代理公司: 北京中政聯科專利代理事務所(普通合伙) 11489
• 代理人: 鄭久興

本發明公開了一種鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備方法，壓電陶瓷的化學組成通式為：0.91K_0.48Na_0.52Nb_1?xSb_xO₃?0.04Bi_0.5Na_0.5ZrO₃?0.05AgSbO₃?0.2％Fe₂O₃，其中，x為Sb元素的摩爾分數，0≤x≤0.03。本發明實施方式提供鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，壓電陶瓷材料中不含鉛，對環境友好，且壓電性能優異，有望替代鉛基壓電陶瓷，具有非常廣泛的使用范圍。

技術領域

本發明涉及功能陶瓷領域，尤其是涉及一種鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備方法。

背景技術

壓電陶瓷是一種能夠實現機械能和電能相互轉換的功能材料。自1880年居里兄弟發現壓電效應以來，壓電陶瓷材料有著顯著的發展，并且廣泛地應用在傳感器、致動器、換能器和其他電子設備中。壓電效應是指壓電材料在外力作用下，內部的正負電荷的中心發生相對位移而產生極化，使材料的兩端出現符號相反的電荷的現象。反之，逆壓電效應是指壓電材料在外電場的作用下發生機械變形的現象。

到目前為止，工業上大規模使用的壓電陶瓷材料仍是含鉛量較高的鋯鈦酸鉛(PZT)基陶瓷材料。但是含鉛量在60％以上的PZT陶瓷在生產、使用和廢處理過程中會造成鉛元素的揮發，會對自然環境和人類健康造成巨大的危害。此外，許多國家和地區已經頒布了一些法律或指令，來限制鉛等有害元素在電子器件中的使用。

因此，隨著人們環保意識的逐漸提高，從建設可持續發展社會的角度考慮，發展高性能的可以替代鉛基壓電陶瓷的無鉛壓電陶瓷是一項亟待解決的研究課題并且具有深遠的經濟效益。在過去的幾十年中，鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷作為一種無鉛壓電陶瓷受到了廣泛關注并且取得了一定的成果。但是，與當前工業中應用的鉛基壓電陶瓷相比，鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的綜合性能還有較大的差距，仍然需要進一步的提升。

因此，我們希望能夠進一步地提升鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的壓電性能，使其有望解決目前在工業中大規模使用的鉛基壓電陶瓷中的鉛元素的揮發對環境和人類身體健康造成嚴重危害的問題。此外，鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷材料可應用于壓電響應靈敏的傳感器、濾波器、驅動器等，具有廣闊的應用前景。

發明內容

(一)發明目的

本發明的目的是提供一種鈮酸鉀鈉基無鉛陶瓷及其制備方法。該鈮酸鉀鈉基無鉛陶瓷，通過添加Bi_0.5Na_0.5ZrO₃和AgSbO₃以及特定含量的Sb元素，使得該壓電陶瓷的“三方-正交”相轉變溫度相對于純的鈮酸鉀鈉陶瓷(KNaNbO₃，KNN)來說升高，同時，使得該壓電陶瓷的“正交-四方”相轉變溫度相對于純的KNN陶瓷來說下降，從而在室溫附近形成一個“三方-正交-四方”多相共存的相結構，從而提升了KNN基無鉛壓電陶瓷的壓電性能，使得該陶瓷的壓電性能可與鉛基壓電陶瓷相比較(PZT 5H陶瓷的d₃₃值為590pC/N，d₃₃*值為500pm/V；PZT4陶瓷的d₃₃值為410pC/N，d₃₃*值為700pm/V)，使得本申請的壓電陶瓷有希望取代鉛基壓電陶瓷在工業中的大規模應用，并且由于本發明提供的陶瓷中無鉛，對環境較為友好。此外，通過添加Fe₂O₃作為燒結助劑，獲得了更加致密的陶瓷。

(二)技術方案

為解決上述問題，本發明第一方面提供了一種鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，其化學組成通式為：