[發明專利]一種織構化鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202210754086.1
• 申請日: 2022-06-28
• 公開（公告）號: CN114988874B
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 李偉;高碩;李朋;郝繼功;付鵬;韓維坊;路瑩;曲嘉蔚
• 申請（專利權）人: 聊城大學
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495;C04B35/622;G01D21/00;H10N30/853;H10N30/093;H10N30/097
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 金彥;許亦琳

本發明提供一種織構化鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷及其制備方法和應用。該壓電陶瓷的化學通式為0.97(Ksubgt;0.48/subgt;Nasubgt;0.52/subgt;)(Nbsubgt;0.96/subgt;Sbsubgt;0.04/subgt;)Osubgt;3/subgt;?0.03Basubgt;x/subgt;(Bisubgt;0.5/subgt;Agsubgt;0.5/subgt;)subgt;1?x/subgt;ZrOsubgt;3/subgt;，0.1≤x≤0.4。該制備方法包括如下步驟：1)按照化學通式中元素的化學計量比稱取原料，經一次球磨、一次烘干、預燒、二次球磨、二次烘干和過篩；2)將粉體基料、NaNbOsubgt;3/subgt;模板、燒結助劑、溶劑和粘結劑混合；3)將流延漿料流延、干燥、切割、疊片、熱壓和排粘，獲得陶瓷生坯；4)將陶瓷生胚進行燒結。本發明織構化鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷的壓電性能具有高溫度穩定性，在較寬的溫度區間下保持著較高的壓電和應變性能。

技術領域

本發明屬于功能陶瓷材料領域，尤其是涉及一種織構化鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷及其制備方法和應用。

背景技術

壓電陶瓷是具有正、逆壓電效應，并能實現電能和機械能相互轉換的一種信息功能材料。壓電陶瓷的正壓電效應是指在壓電陶瓷上施加作用力，引起內部正負電荷中心相對位移而發生極化，導致材料兩端表面產生感應電荷的現象。此外，壓電材料的極化強度也可以在外電場作用下發生改變，導致材料伸長或者收縮變形，這種電能轉變成機械能的現象稱為逆壓電效應或電致應變效應。壓電材料在軍事和民生方面有著廣泛的應用，主要用于制備換能器、濾波器、變壓器、紅外探測器、聲表面波器件、電光器件等。此外，壓電材料在信息的存儲、轉換、檢測以及處理中也有很大的應用前景。

目前，鋯鈦酸鉛(PZT)基壓電陶瓷以其較高的機電性能和溫度穩定性在過去幾十年里成為工業上使用最多的壓電材料之一。然而，PZT基壓電陶瓷中的PbO或Pb₃O₄的含量占60％～70％，在生產、使用和廢棄處理過程造成鉛污染，對環境和人體造成嚴重的危害。隨著人們對環保意識的增強和對身體健康的重視，許多國家和地區已經制定了相關法律法規來嚴格限制電子元器件中鉛的含量。在這樣的大背景下，壓電陶瓷無鉛化是必然的發展趨勢，研發高壓電性能，并且具有高溫度穩定性的無鉛壓電陶瓷成為世界范圍內一項緊迫而具有巨大經濟價值的課題。

在無鉛壓電陶瓷領域，目前研究的方向主要有鈦酸鋇(BT)，鈦酸鉍鈉(BNT),鈮酸鉀鈉(KNN)等體系。其中KNN體系無鉛壓電陶瓷具有良好的壓電、鐵電性能，較大的機電耦合系數以及較高的居里溫度等優點，是當前認為有望取代鉛基壓電陶瓷的綜合性能最好的無鉛壓電陶瓷體系之一。目前廣泛報道的提高KNN基壓電陶瓷壓電性能的方法主要是降低正交-四方相轉變溫度T_O-T以及提高三方-正交相轉變溫度T_R-O，在室溫下構建正交-四方相界、三方-正交相界或三方-四方相界。利用這種方法制備得到的KNN基壓電陶瓷壓電性能顯著提升，為無鉛壓電陶瓷體系取代鉛基壓電陶瓷的實現提供了新的思路。

然而，利用相界調控的方法雖然可以提升KNN基壓電陶瓷的壓電性能，但是KNN基壓電陶瓷的相結構在溫度變化時也會產生變化，從而使得KNN基壓電陶瓷具有溫度敏感特性，嚴重限制了陶瓷的實際應用與發展。因此，提升KNN基壓電陶瓷壓電性能以及應變性能的溫度穩定性，使其有望替代當前在工業中大規模使用的鉛基壓電陶瓷，對解決鉛元素揮發危害環境和人類身體健康的問題具有重要意義。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種織構化鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷及其制備方法和應用，壓電性能和應變性能具有良好的溫度穩定性。