[发明专利]一种提高Sr2-xCaxNaNb5O15陶瓷介电和压电性能的制备工艺

说明书

技术领域

本发明属于Sr_2-xCa_xNaNb₅O₁₅(简称SCNN)无铅压电陶瓷的制备领域。

背景技术

压电、热释电及铁电材料在各类信息的检测、转换、存储及处理中具有 广泛的应用，是一种重要的国际竞争激烈的高技术材料。然而，迄今为止， 绝大多数高性能的压电、热释电及铁电材料主要是含铅的。铅在陶瓷高温烧 结时不可避免的会挥发，必然造成环境的污染，直接危害人们的健康，因此， 开发非铅基环境协调性压电陶瓷材料是一项紧迫且具有重大实用意义的课 题。可供选择的无铅压电陶瓷主要有：钙钛矿结构、铋层状结构和钨青铜结 构三类。钨青铜结构化合物是仅次于钙钛矿型的第二大类铁电体。多年来， 钨青铜结构化合物作为电光晶体而被广泛研究，无铅的钨青铜结构铌酸盐压 电陶瓷却鲜见报道。但近几年来，关于钨青铜结构铌酸盐陶瓷研究报导日渐 增多，并作为无铅压电陶瓷体系之一而受到重视。

近些年来，碱金属和碱土金属钨青铜型铌酸盐材料如Sr₂KNb₅O₁₅、 Sr₂NaNb₅O₁₅等的研究，开始活跃，其通式为B₂⁺²A⁺Nb₅O₁₅(A为碱金属，B 为碱土金属)。其中的Sr₂NaNb₅O₁₅属于填满型钨青铜结构铁电体，居里温度 为270℃，自发极化强度为29μC/cm²，压电性能低，密度小。Ca²⁺部分取代 Sr²⁺的效果特别显著，Sr_2-xCa_xNaNb₅O₁₅材料表现出优异的压电性能。

1988和1994年R.R.Neurgaonkar和J.R.Oliver等人采用Czochralski法成 功地生长了四方钨青铜结构的SCNN(x＝0.05-0.35)单晶，d₃₃＝270pC/N(用 谐振-反谐振法表征)，d₁₅＝248pC/N。(R R Neurgaonkar，J R Oliver，W K Cory， L E Cross and D Viehland，Ferroelectrics 160，265(1994)；R R Neurgaonkar，J R Oliver，W K Cory，L E Cross，Ferroelectrics 87，167(1988))。1993年，山东大学 的赵焕绥、任天令和张沛霖等人也采用Czochralski法生长的SCNN晶体， d₃₃＝134×10^-12pC/N(用准静态法表征)。(赵焕绥，任天令，张沛霖，钟维 烈等，Sr_1.95Ca_0.05NaNb₅O₁₅晶体的介电热电和热学性质，山东大学学报(自然 科学版)，1993，28(3)：311-316)

但是，SCNN晶体生长比较困难，而陶瓷具有制备成本低、工艺简单和 可以大尺寸生产等优点，因此，对SCNN陶瓷制备的研究显得十分重要。然 而，目前国内外研究的相关报道较少。

1999年10月日本公开特许公报报道了Toshio A等人做出了高性能SCNN 压电陶瓷。与单纯的Sr₂NaNb₅O₁₅陶瓷相比，d₃₃和k₃₃明显提高(d₃₃＝200pC/N (用谐振-反谐振法表征)，k₃₃＝30％)，x＝0.05-0.20之间压电性能优良，烧 结条件是在1050～1150℃下预烧2～12h，再在1200～1250℃下第一次烧结 4～8h，然后在1270～1370℃下第二次烧结10～50h。(Toshio A，Fumio M， Mikiya S，日本公开特许公报，特开平11-292627，1999-10-26)