[發明專利]一種非化學計量Nb5+

有效

• 申請號: 202211035937.3
• 申請日: 2022-08-27
• 公開（公告）號: CN115286386B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 朱建國;李洪江;邢潔;譚智;謝李旭
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495;C04B35/622;C04B35/638;C04B41/88
• 代理公司: 北京中睿智恒知識產權代理事務所(普通合伙) 16025
• 代理人: 侯文峰

本發明公開了一種非化學計量Nbsupgt;5+/supgt;的鈮鉭鋯鐵酸鉀鈉鉍陶瓷及其制備方法，采用傳統的固相法制備了通式為(Ksubgt;0.45936/subgt;Nasubgt;0.51764/subgt;Bisubgt;0.023/subgt;)(Nbsubgt;0.89958+0.957x/subgt;Tasubgt;0.05742/subgt;Zrsubgt;0.04/subgt;Fesubgt;0.003/subgt;)Osubgt;3/subgt;(?0.01≤x≤0.04)的陶瓷粉體；再通過造粒壓片、排膠、燒結和被銀測試等傳統的電子陶瓷制備工藝制備壓電陶瓷，結果表明，過量的Nbsupgt;5+/supgt;占據B位，顯著影響壓電陶瓷的微觀結構、介電和壓電性能，此外，過量的Nbsupgt;5+/supgt;摻雜通過提供疇壁釘住效應提高了陶瓷的溫度穩定性，其中在(Ksubgt;0.45936/subgt;Nasubgt;0.51764/subgt;Bisubgt;0.023/subgt;)(Nbsubgt;0.90915/subgt;Tasubgt;0.05742/subgt;Zrsubgt;0.04/subgt;Fesubgt;0.003/subgt;)Osubgt;3/subgt;陶瓷中可以同時獲得居里溫度Tsubgt;C/subgt;＝300℃、介電損耗tanδ＝0.024、機電耦合系數ksubgt;p/subgt;＝0.516和壓電常數dsubgt;33/subgt;＝450pC/N，介電常數εsubgt;r/subgt;＝1644，使鈮鉭鋯鐵酸鉀鈉鉍陶瓷具有廣泛的應用前景，包括傳感器、執行器和其他電子設備。

技術領域

本發明涉及無鉛壓電陶瓷材料技術領域，特別是涉及一種非化學計量Nb⁵⁺的鈮鉭鋯鐵酸鉀鈉鉍陶瓷及其制備方法。

背景技術

目前，鋯鈦酸鉛(PZT)基陶瓷材料體系被廣泛研究，用于各種應用領域，如傳感器、驅動器和其他電子設備，但是鉛基陶瓷的使用危害人體健康和環境。因此，在壓電器件中使用環保型無鉛陶瓷的要求越來越高。在眾多無鉛候選材料中，鈮酸鉀鈉(KNN)基陶瓷材料體系因其巨大的壓電系數(d₃₃)、較高的居里溫度(T_C)和環境友好性而備受關注。為了獲得能夠替代鉛基陶瓷的高性能KNN基陶瓷，人們對其壓電性能、應變性能和溫度穩定性進行了大量的研究。近年來，壓電材料的研究取得了一些進展，并對其中的機制機理進行了探討。然而，KNN基陶瓷的綜合電性能問題仍然沒有得到很好的解決，例如，具有高壓電常數d₃₃的KNN基陶瓷往往是在低T_C條件下獲得的，其溫度穩定性較差，這些結果并不足以用于實際應用。因此，人們一直致力于提高?KNN基陶瓷的綜合電學性能。

為了更好地理解摻雜機理，需要深入研究原子水平的局域結構，這對提高無鉛壓電陶瓷的功能性能至關重要。KNN基陶瓷的壓電和介電性能受鈣鈦礦型結構(ABO₃)中某些A或B陽離子的替換影響，從而影響多晶相變、晶粒結構、鐵電疇結構和鐵電性能。本發明發現B位非化學計量摻雜與多晶相變的行為、微觀結構、鐵電性、壓電性和介電性能之間的關系幾乎沒有報道。適量或過量的B位非化學計量摻雜可以提高陶瓷的結晶度，這可以歸因于在A?位上產生空位，從而在燒結過程中增強離子的擴散。

眾所周知，具有多晶型相界結構的KNN基陶瓷的壓電和介電性能對溫度有很強的依賴性。因此，較高的d₃₃和機電耦合因子(k_p)值總是以降低陶瓷的T_C為代價。如何克服大d₃₃、k_p與高T_C的矛盾已經成為一個熱點問題。本發明發現B位非化學計量摻雜KNN基陶瓷可以在保持居里溫度T_C較高的情況下獲得較高的d₃₃。此外，B位非化學計量的引入導致陶瓷中存在缺陷偶極子和疇壁釘住效應，這有助于提高d₃₃的溫度穩定性和介電損耗(tanδ)。因此，對B位非化學計量摻雜KNN基陶瓷的壓電和介電性能進行更具體的研究是值得的。

發明內容