[发明专利]一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的常压致密化方法

说明书

技术领域

本发明属于功能陶瓷材料制备技术领域，通过常压烧结工艺制备铌酸钾钠（NKN）基无铅压电陶瓷，达到简化工艺、节约能源的目的，通过添加第二组元及优化工艺参数，克服Na、K等碱金属离子烧结过程容易挥发、导致化学计量比偏离的缺点，实现在较低的烧结温度下出现液相烧结，获得具有较高的致密度和良好的电学性能的NKN基无铅压电陶瓷。

背景技术

压电陶瓷是功能陶瓷领域的一种新型陶瓷材料，它广泛应用于电子、通讯、激光、生物等诸多高科技领域，可以制作超声换能器、压电变压器、滤波器、压电蜂鸣器等器件，但是，目前压电陶瓷的研究和生产主要集中在锆钛酸铅（PbZrO₃-PbTiO₃，PZT）基多元系含铅陶瓷，PZT基陶瓷中氧化铅的含量超过原料总量的70%以上，由于铅的易挥发性，在生产、制备、使用及废弃处理中都会对环境造成极大的污染，因此，开发无铅环境协调性（绿色）压电陶瓷材料来替代PZT基压电陶瓷是一项紧迫而具有重要科学意义的课题。

自20世纪60年代初期以来，人们逐渐意识到了研究开发无铅压电陶瓷的重要性，研究了以铌酸盐和钛酸盐为主的钙钛矿结构无铅压电陶瓷，其中NaNbO₃-KNbO₃体系和PZT体系相似，反铁电体NaNbO₃和铁电体KNbO₃可以形成连续固溶体，结构为钙钛矿结构，研究发现，在NaNbO₃-KNbO₃体系中，当Na/K的摩尔比接近于1:1时，呈现较好的压电性能，类似于PZT体系的准同型相界；与锆钛酸铅等铅基压电陶瓷相比，铌酸钾钠基无铅压电陶瓷具有介电常数小、频率常数大、机电耦合系数大、声学速度高的特点，尤其适合用在换能器等功能器件上，但是，由于Na、K易挥发，Na_0.5K_0.5NbO₃陶瓷很难烧结致密，一般需要采用热压、放电等离子、热等静压烧结等方法，才能够获得致密的NKN陶瓷；上述方法制备的陶瓷的稳定性不能令人满意，同时，对设备要求过高、生产工艺苛刻、生产成本较高、材料尺寸受到限制，难以获得工业化应用，为了优化NKN基无铅压电陶瓷的制备工艺、提高NKN基陶瓷的压电性能，各国学者从添加烧结助剂、A位和B位掺杂取代、添加新组元等方面对NKN基无铅压电陶瓷进行了研究，为NKN基无铅压电陶瓷的常压烧结致密化提供了新思路。

本专利通过传统的陶瓷工艺，添加第二组元，在常压条件下烧结，实现NKN基无铅压电陶瓷的致密化，添加第二组元，克服了NKN陶瓷常压烧结难以致密化的缺点，随着组分的调整和工艺的优化，可以制备具有较高的致密度和良好的电学性能的准同型相界组成的NKN基无铅压电陶瓷，同时，第二组元的添加提高了NKN基陶瓷的稳定性，NKN基陶瓷制备过程中，碱金属元素在高温下容易挥发，使得陶瓷的化学计量比难以控制，从而严重降低了陶瓷的性能，因此降低烧结温度、优化工艺参数以得到性能稳定的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷是本发明着重解决的有重要生产实践意义的问题。

发明内容

本发明的目的是通过常压烧结工艺制备高致密度的铌酸钾钠(Na_1/2K_1/2)NbO₃（NKN）基无铅压电陶瓷，通过添加第二组元形成低共熔化合物，在较低的温度出现液相、产生液相烧结机制，从而降低陶瓷的烧结温度，促进烧结的进行。

本发明将各种原料按照设计的配方组成、确定的化学计量比称量，球磨混合均匀后压片煅烧制备配合料，工艺简单、节约能源，能够得到具有较纯的钙钛矿结构的配合料，添加第二组元形成低共熔化合物、促进液相烧结机制产生，从而降低了烧结温度，得到具有较高的致密度、良好的压电性能的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的组成涉及：(1-x)(Na_1/2±yK_1/2±y)NbO₃-xAB（(1-x)NKN-xAB），x=0.0025-0.1，y=0-0.025，AB=CaTiO₃（CT）、LiSbO₃（LS）、LiTaO₃（LT）、LiSbO₃-LiTaO₃（LS-LT）。

常压烧结工艺制备铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的具体步骤如下：