[发明专利]钛铌锌酸铋钠系无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及压电陶瓷材料，具体是钛铌锌酸铋钠系无铅压电陶瓷及其制备方法。

二、背景技术

压电陶瓷是一种能实现机械能与电能间转换的重要功能材料，在机械、电子、通信等各方面有重要的应用。自从二十世纪四十年代中期发现钛酸钡陶瓷的压电性后，ABO₃型钙钛矿结构压电陶瓷的研究十分活跃。但目前对压电陶瓷的研究和生产主要集中在传统的锆钛酸铅(PZT)为基的多元系含铅陶瓷。由于含铅压电陶瓷在制备、使用和废弃后处理过程中都会对环境造成污染。因此寻找一种能够替代铅基压电陶瓷的无铅压电陶瓷材料是一项有重大社会和经济意义的课题。

目前研究的无铅压电陶瓷体系主要有五种：BaTiO₃基无铅压电陶瓷、(Na_1/2Bi_1/2)TiO₃基无铅压电陶瓷、铋层状结构无铅压电陶瓷、铌酸钾钠锂((K，Na，Li)NbO₃)无铅压电陶瓷以及钨青铜结构无铅压电陶瓷。其中钛酸铋钠(Na_1/2Bi_1/2)TiO₃(简称NBT)是一种A位复合取代的ABO₃型钙钛矿铁电体，其居里点为320℃，在室温下具有相对较大的剩余极化(Pr＝38μC/cm²)，被认为是一种很有希望的无铅压电材料。但NBT陶瓷矫顽场高(Ec＝73kV/cm)，极化极为困难，因而单纯的NBT陶瓷很难实际应用。必须对NBT陶瓷改性以获得矫顽场低、压电性能好的无铅压电陶瓷体系。

目前对NBT基无铅压电陶瓷的改性主要集中在A、B位置的取代改性上，并在此基础上进一步进行微量稀土元素的掺杂改性。文献1(Key Eng.Mater.2006，320：23-26)报到了组成式为Na_0.5Bi_0.5TiO₃-Bi_0.5Ki_0.5TiO₃-BaTiO₃的无铅压电陶瓷体系，文献2(Mater.Sci.Eng.B.2004，112(9)：5-9)报到了组成式为(Na_0.5Bi_0.5)TiO₃-NaNbO₃的无铅压电陶瓷体系，文献3(Jpn.Appl.Phys.1991，30(9B)：2236-2239)报到了组成式为(Na_0.5Bi_0.5)TiO₃-BaTiO₃的无铅压电陶瓷；文献4(压电与声光，2000，22(6)：370-372)报道了组成式为(Na_1/2Bi_1/2)TiO₃-SrTiO₃的无铅压电陶瓷；文献5(Mater.Lett.2005，59：1576-1580)报道了组成式为(Na_1/2Bi_1/2)TiO₃-Ba(Ti，Zr)O₃的无铅压电陶瓷，文献6(Jpn.J.Phy.1997，36：6055-6057)报到了组成式为(Na_1/2Bi_1/2)TiO₃-1/2(Bi₂O₃·Sc₂O₃)的无铅压电陶瓷体系；文献7(Jpn.J Appl.Phys.2006，45(5B)：4493-4496)报道了(Bi_1/2Na_1/2)TiO₃-(Bi_1/2K_1/2)TiO₃无铅压电陶瓷体系；文献8(Ceram.Int.2007，33：95-99)报道了CeO₂掺杂的Bi_0.5Na_0.44K_0.06TiO₃无铅压电陶瓷；专利CN1511800A给出了组成式为[Bi_1-z(Na_1-x-yK_xLi_y)_z]TiO₃体系的压电陶瓷组合物；专利JP11-180769给出了组成式为(Na_0.5Bi_0.5)TiO₃-BaTiO₃，添加0.5～1.5wt％的La₂O₃、Y₂O₃、Yb₂O₃、Sm₂O₃、Nd₂O₃、Ce₂O₃等氧化物后获得不同性能的压电陶瓷。