[发明专利]铋离子替代改性的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及功能陶瓷制备技术领域，具体是一种铋离子替代改性的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法。

二、背景技术

压电陶瓷以其独特的性能，在商业、军事、汽车、计算机、医学以及消费等领域中的应用日益广泛。长久以来，对压电陶瓷的研究和生产主要都集中于传统的锆钛酸铅Pb(Zr，Ti)O₃(简称PZT)系列压电陶瓷上。但是传统的锆钛酸铅陶瓷是一类含铅陶瓷，其中氧化铅(或四氧化三铅)约占原料总质量的70％左右。含铅压电陶瓷在制备、使用过程中及废弃后处理过程中都会给环境和人类健康带来很大的损害。随着人们生态环保意识的提高和社会可持续发展战略的实施，开发具有环境协调性的压电陶瓷已成为压电材料研究领域的重点。

铌酸钾钠(K_0.5Na_0.5)NbO₃陶瓷是由铁电体KNbO₃和反铁电体NaNbO₃组成的固溶体。因其理论密度低、居里温度高，同时具有优良的压电性能和机械性能而受到人们的关注，被认为是最有潜在应用前景的一类压电陶瓷材料。然而，采用传统陶瓷工艺难以获得致密性良好的陶瓷体。因为(K_0.5Na_0.5)NbO₃的相稳定性被限制在1140℃，温度大于1140℃时，KNN将不能以固态形式存在。因此在制备时不能达到更高的烧结温度，这就阻碍了KNN陶瓷体的致密化。其次，由于在烧结过程中Na₂O和K₂O的挥发，使化学计量比发生偏离，导致产生另外一种杂相K₄Nb₆O₇，当该物质遇到潮湿的环境时，非常容易发生潮解，这极大地限制了该类材料的应用。

为了改善铌酸钾钠陶瓷的烧结特性，提高其致密化程度和电学性能，BaTiO₃，SrTiO₃，LiNbO₃，LiTaO₃等作为第二组元被引入铌酸钾钠中形成新的固溶体。由于这些新组元的加入使相转变(正交相到四方相)温度从200℃(纯KNN陶瓷)到室温，从而提高了这些新的铌酸钾钠基陶瓷的压电性能。但是，相转变温区在室温的出现大大降低了这些新的铌酸钾钠基陶瓷压电性能的温度稳定性，这样就限制了这些新的铌酸钾钠基陶瓷的实际应用。在申请号为200710017813.1的发明专利申请中，公开了一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法。在该发明申请中，通过掺杂三氧化二铋，改善了铌酸钾钠陶瓷的烧结特性，提高了它的压电性能。制备时，通过先合成铌酸钾钠粉体，然后再根据化学配比添加三氧化二铋。尽管掺杂改性可以提高材料的压电性能，但是掺杂很容易在陶瓷的晶界留下残留物，降低材料的性能。

三、发明内容

为克服现有技术中存在的通过掺杂三氧化二铋改善铌酸钾钠陶瓷的烧结特性时，很容易在陶瓷的晶界留下残留物，降低材料的性能的不足，本发明提出了一种铋离子替代改性的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法。

本发明以铋离子替代改性的铌酸钾钠无铅压电陶瓷，即[(K_0.5Na_0.5)_1-3xBi_x]NbO₃(0.0≤x≤0.05)无铅压电陶瓷。本发明的原材料包括无水碳酸钾、无水碳酸钠、五氧化二铌，三氧化二铋，其化学计量比为[(K_0.5Na_0.5)_1-3xBi_x]NbO₃(0.0≤x≤0.05)无铅压电陶瓷，其中0.0≤x≤0.05。其具体方案是，通过添加Bi离子，使铋离子替换(K_0.5Na_0.5)NbO₃陶瓷中的A位离子，使铌酸钾钠陶瓷的烧结特性和铁电性能增强，进而提高其压电性能。在制备时，根据电价平衡的原理，添加Bi离子的同时减少K离子和Na离子，并且产生了A位空位，进而达到提高压电和铁电性能的目的。

本发明的制备方法是：

1)配料：将分析纯的无水碳酸钾、无水碳酸钠、五氧化二铌和三氧化二铋烘干，按化学计量比为[(K_0.5Na_0.5)_1-3xBi_x]NbO₃(0.0≤x≤0.05)配料。