[发明专利]一种钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明属于环境协调性压电陶瓷领域，特别涉及一种钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其制备工艺。

背景技术

压电陶瓷是压电材料中品种最多，应用最为广泛成熟的一类。然而，在压电陶瓷领域，长期以来由锆钛酸铅(PZT)占主导地位，PZT陶瓷中有毒的氧化铅(或四氧化三铅)约占原料总量的70％左右，如此高的铅含量在制备、使用和回收过程中，都会给环境和人类带来危害。随着人类社会的可持续发展和对环境保护问题的重视，开发无铅的环境协调性压电陶瓷是一项紧迫而且具有重大实用意义的课题。

钛酸铋钠(Na_0.5Bi_0.5)TiO₃(NBT)是1960年由Smolensky等人发明的A位复合离子钙钛矿型铁电体。NBT具有机电耦合系数各向异性较大、居里温度较高、相对介电常数较小及声学性能好等优良特征，而且烧结温度低，被视为最有希望替代传统含铅压电材料的候选材料之一。然而，室温下NBT矫顽场强较高，在铁电相区电导率大；而且难以烧成致密样品。这就使得NBT陶瓷的极化非常困难，陶瓷的压电性能不能充分表现出来。加之该体系陶瓷中Na₂O易吸水，使陶瓷的化学物理性质稳定性欠佳。因此，单纯的NBT陶瓷难以实用化。

目前，人们主要通过添加其它钙钛矿型化合物形成固溶体和制备技术方面对NBT进行改性。文献1(J Eur Ceram Soc，2002，22：2115-2121)报道了组成式为Na_0.5Bi_0.5TiO₃-BaTiO₃无铅压电陶瓷体系；文献2(J Mater Res，1997，12(8)：2152-2157)报道了组成式为Na_0.5Bi_0.5TiO₃-SrTiO₃无铅压电陶瓷体系；文献3(压电与声光，2000，22(4)：253-255)报道了组成式为Na_0.5Bi_0.5TiO₃-CaTiO₃无铅压电陶瓷体系。但以上二元系陶瓷体系存在性能指标较低的问题，距离实际应用还有一定距离。陶瓷晶粒定向技术和软溶液制备技术等新工艺作为提高材料性能的有效方法，近年来受到重视。但这些制备技术仍处于探索阶段，且生产成本高，工艺设备及过程稳定性不够理想，从而使其应用大大受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其制备工艺，生产工艺简单，成本低，致密度高，压电性能好。

本发明优选准同型相界附近、性能优异的Na_0.5Bi_0.5TiO₃-BaTiO₃、Na_0.5Bi_0.5TiO₃-SrTiO₃和Na_0.5Bi_0.5TiO₃-CaTiO₃二元系陶瓷体系为基础，将具有类钙钛矿结构的反铁电体NaNbO₃作为第三组元引入，形成新型三元系钛酸铋钠基无铅压电陶瓷体系，可以用通式(1-x)(Na_0.5Bi_0.5)_1-aM_aTiO₃-xNaNbO₃来表示，其中x为陶瓷体系中NaNbO₃的摩尔含量，a为(Na_0.5Bi_0.5)TiO₃中的复合离子(Na_0.5Bi_0.5)被M置换的原子数，0≤x<0.3，0<a<0.3，M为二价碱土金属元素Ba、Sr和Ca。

本发明的技术方案是这样实现的：