[发明专利]一种低温合成锌掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能陶瓷材料领域，特别提供了一种低温合成锌掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷是一类重要的、在电子行业应用广泛的高新技术材料。但目前大规模使用的是铅基压电陶瓷，Pb含量高达60％以上，在其制备、使用、废弃过程中都会对人类身体健康及其生存环境造成危害。研究环境友好型无铅压电陶瓷是一项迫切的、具有重要社会意义的课题。

在无铅压电陶瓷体系中，铌酸盐系无铅压电陶瓷(K，Na)NbO₃(简写为KNN)，因其具有高的居里温度和好的压电性能，被认为是最有潜力取代铅基压电陶瓷的候选材料之一。用传统烧结工艺很难制备致密度高的KNN陶瓷，其原因有以下两点：(1)KNbO₃-NaNbO₃固溶体的相稳定温度在1140℃以下；(2)K、Na在较高温度下烧结时易挥发，造成陶瓷的实际成分偏离化学计量式，容易生成其它杂相而降低其压电性能。通过调整制备工艺或者掺杂改性等措施有望克服上述缺点。目前制备该陶瓷体系的烧结方法有热压法、热锻、放电等离子烧结等。这些烧结技术虽然能制备较致密的陶瓷材料，但其设备复杂、不能批量生产，且生产成本较高，不适合商业开发。传统的常压烧结工艺由于不需要特殊实验装置，成本低廉而备受关注。但目前的研究资料表明，传统烧结工艺的烧结温度比较高，如专利CN1810711A公开了在KNN体系中添加二价金属的钛酸盐MTiO₃(M为Ca、Mg、Ba及Sr中至少一种)和MnO₂，其烧结温度均高于1050℃，而且加入钛酸盐后，材料的压电性能下降很多。专利CN1919791A公开了在KNN体系中添加CuO，虽然材料的Q_m有所提高，但其压电性能较低，烧结温度亦在1050℃以上。专利CN1511802A在KNN体系中添加Ta或Sb，公开了一类用通式(Li_xNa_yK_1-x-y)(Nb_1-zR_z)O₃(其中R为Ta或Sb)表示的多组元铌酸盐系无铅压电陶瓷，烧结温度为1100～1200℃，此类材料的压电常数最高达到150pC/N。专利CN1958511A在KNN体系中同时添加Ta和Sb，材料的压电性能虽然有所提高，但烧结温度仍在1100℃以上。专利CN101066868在LKNN体系中添加Mg元素，烧结温度虽有所降低，但其压电性能不太理想。

表1比较了本发明所提供的低温烧结KNN基无铅压电陶瓷与其它专利中涉及到的常压烧结制备的KNN基压电陶瓷的烧结温度与性能。

综上所述，目前性能较好的无铅压电陶瓷的常压烧结温度均高于1050℃。据所查到的相关专利中，均未见到在KNN体系中通过添加ZnO、ZnCO₃及碱式碳酸锌降低常压烧结温度的报道。

表1常压烧结的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷性能比较