[发明专利]一种热稳定无铅高温压电陶瓷及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种功能陶瓷材料及其制备方法，特别涉及一种压电陶瓷材料及其制备方法，具体地说是一种热稳定无铅高温压电陶瓷及其制备方法。

二、背景技术

压电陶瓷是一类重要的功能陶瓷材料，然而多年来普遍被使用的压电陶瓷材料主要是以锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O₃)或者钛酸铅(PbTiO₃，简称PT)为主要成分。其中氧化铅或者四氧化三铅的含量约占原材料的60％以上。这些含铅的压电陶瓷在使用和废弃后的处理过程中均会给人类的健康和生存环境带来严重的危害。发展无铅系的环境协调性的压电陶瓷是一项紧迫且具有重大实用意义的课题。

无铅压电陶瓷通常主要有钛酸钡基(BaTiO₃，简称BT)、钛酸铋钠基((Bi_0.5Na_0.5)TiO₃，简称BNT)、铌酸钾钠基((K，Na)NbO₃，简称KNN)，钨青铜结构以及铋层状结构的铁电体材料。其中BT是较早得到使用的压电陶瓷，但是由于其压电性能低，特别是居里温度偏低，极大地限制其使用。BNT是一种A位复合型的具有钙钛矿结构的无铅压电材料，是一种研究较早的无铅型的铁电陶瓷，它和BT形成准同型相界组成，具有良好的压电和机电耦合性能(T.Takenaka，K.Maruyama，and K.Sakata，Jpn.J.Appl.Phys.，30(1991)2236)，然而，很高的矫顽场(E_c＝7.3kV/mm)，使其极化相当困难，且退极化温度较低，限制了其实际应用。钨青铜结构以及铋层状结构的铁电体虽然具有较高的居里温度而被作为高温压电陶瓷的候选材料，然后其烧结工艺条件苛刻，压电性能亦偏低。

虽然铋基钙钛矿的陶瓷固溶体，如BiScO₃和PT的固溶体，具有较高的居里温度，适当的压电性能和机电耦合性能而被作为高温压电陶瓷材料的候选对象，而得到较广泛的研究。然而，其原材料的费用较昂贵，如Sc₂O₃；其次，其组成中也含有大量的PbO。因而这类陶瓷组成的工业的应用仅能局限在某些特殊领域使用。

最近，碱金属铌酸盐，主要是具有准同型相界组成的铌酸钾钠得到广泛的研究，具有较大的压电和机电耦合性能，较高的居里温度(T_c＝420℃)。然而这种陶瓷很难在常规制备工艺下烧结，且易于水解，从而使其电性能得不到充分发挥。尽管通过各种掺杂改性，使其压电性能得到有效的提高，然而，目前这类陶瓷的工艺重复性差，钾钠易挥发导致化学计量的偏离，机械强度低，压电和机电性能的温度稳定性不够。通过掺杂改性，尽管能在一定程度改善其压电性能，然而这些掺杂剂却严重地降低了材料的居里温度。

综上所述，无铅压电陶瓷的综合性能和含铅压电陶瓷相比还有不少差距。特别是在高温无铅压电陶瓷领域还缺乏具有高居里点和热稳定性能的压电陶瓷组成。在碱金属铌酸盐的基础上，通过多种组元的掺杂，来获得低温可烧结，热稳定的无铅高温压电陶瓷组合物的电性能和制备工艺的研究还鲜有报道。

三、发明内容

本发明为避免上述现有技术所存在的不足之处，旨在提供一种多元系的热稳定的无铅高温压电陶瓷，所要解决的技术问题是遴选组分及其低温烧结的制备方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明所称的热稳定无铅高温压电陶瓷，特点是其组成由以下通式表达：

(Na_aK_bLi_cAg_dBi_e)(Nb_uTa_v)O₃+xM₁+yM₂……………………………………(1)

通式(1)中a、b、c、d、e、u、v为各元素在材料组分中所占的原子百分比，x，y分别为M₁和M₂的质量占原料总质量的质量百分数；其中，0.2＜a＜0.6，0.2＜b＜0.6，0.02＜c≤0.1，0≤d＜0.06，0＜e＜0.02，0≤x＜2％，0≤y＜5％，0≤v＜0.1，且a+b+c+d+e＝1，a＞b，u+v＝1。

M₁选自下列至少一种金属的钛酸盐，Mg(镁)，Ca(钙)，Ba(钡)和Sr(锶)；