[发明专利]一种铌酸银基无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种新型无铅压电陶瓷及其制备方法，属于钙钛矿结构环境协调性压电陶瓷领域。

二、背景技术

压电陶瓷是一类重要的功能材料，广泛应用于电子、微电子领域，其世界市场份额占整个功能陶瓷的三分之一强。传统的压电陶瓷主要是以Pb(Zr，Ti)O₃(PZT)为基的二元系、三元系陶瓷，目前在压电应用领域仍占据着主导地位。随着人们环保意识的提高和社会可持续发展战略的实施，无铅压电陶瓷成为新材料研究的前沿和热点之一。国内外新材料科技工作者对如何提高无铅压电陶瓷的压电和铁电性能进行了大量研究，并取得了不同程度的重要进展(文献1：Rodel J et al，J Am Ceram Soc 92(2009)1153)。但与铅基压电陶瓷相比，目前无铅压电陶瓷的压电性能等仍然偏低，仍然无法替代铅基陶瓷(文献2：Damjanovic D et al，Funct Mater Lett 3(2010)5)。因此，探索具有高压电性能的新型无铅压电陶瓷是当务之急。

钙钛矿结构的AgNbO₃(记为AN)是一种很有发展前景的无铅压电陶瓷材料。例如文献3：Grinberg I et al，Appl Phys Lett 85(2004)1760报道了在AN中Ag与O存在较强的杂化，使Ag⁺的偏心位移可达这一特性与铅基钙钛矿化合物中的Pb-O短键非常相似。通过理论计算出AN的自发极化强度P达67μC/cm²。文献4：Fu D et al，Appl Phys Lett 90(2007)252907中报道了AN陶瓷具有强电场诱发的铁电性，当电场增加到220kV/cm时，可诱导出一个新的铁电态，其自发极化强度达52μC/cm²，应变达0.16％。从而证实了AN体系材料具有高的压电铁电活性。

然而，在低电场下AN陶瓷仅具有微弱的铁电性，其剩余极化强度极低(P_r～0.041μC/cm²)，展现出铁电相和反铁电相共存的特性。因而，目前针对AN体系材料的研究工作，主要集中在研究离子取代(如K⁺、Na⁺、Li⁺)对AN和Ag(Nb_0.5Ta_0.5)O₃系介质陶瓷制备工艺、晶体结构、相变特性和介电性能的影响(专利CN101428856；文献5：Valant M et al，J Eur CeramSoc 27(2007)2549)，有关其压电铁电性能方面的报道极少。如何通过组分设计获得高压电和铁电性能的AN基无铅压电陶瓷，是该体系材料研发的技术难点。

值得关注的是，文献6：Sakabe Y et al，Jpn J Appl Phys 40(2001)5675报道了用Li⁺部分取代AN中的Ag⁺可诱发三方铁电相的产生，其中三方相的Ag_0.9Li_0.1NbO₃(ALN10)陶瓷在-150～295℃温度范围内不发生结构相变，其P_r达23μC/cm²，压电常数d₃₃为52pC/N。当以适量K⁺、Na⁺部分取代ALN10中的Ag⁺时，其压电响应消失的温度增加到340℃，其压电性能也略有提高(d₃₃＝66pC/N)。最近，文献7：Fu D et al，J Appl Phys 106(2009)104104报道了K⁺也可诱发AN的铁电性，在x≈0.07附近，Ag_1-xK_xNbO₃(AKN)从AN型正交相(弱铁电性)转变为一个新的正交相(强铁电性)，当x＝0.1时P_r达20.5μC/cm²。在0.07＜x＜0.20组成范围内，T_c基本保持不变(～252℃)，且在较宽的温度范围内(-270～147℃)材料不发生结构相变。但该体系陶瓷的压电性能仍然较低，其d₃₃仅为46～64pC/N。