[发明专利]一种低温烧结低损耗铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及功能陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种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功能陶瓷。由于含铅的锆钛酸铅(Pb(Zr_1-xTi_x)O₃或者PZT)压电陶瓷拥有优越性能的同时，还具有相对较低的加工费用，因此很长时间以来PZT压电陶瓷在工业化应用中占据着主导地位。然而，随着PZT压电陶瓷的大量使用，在煅烧、烧结、制造加工、废弃物处理过程中，越多越多的铅以氧化铅(PbO)的形式释放到环境当中。而氧化铅(PbO)是一种有毒且极易挥发的物质，人们长期处于含挥发性PbO的环境中，PbO在人体内累积达到一定量时则对人体大脑以及神经系统带来严重的伤害。因此，尽管含铅的压电陶瓷具有很好的性能，但其使用给人类及生态环境带来了非常大的危害。为此，许多国家已将PZT压电陶瓷列为要被安全材料替代的有害物质，且已纳入立法机构。而我国是压电陶瓷的生产大国，面临的形势更加严峻，因此开发环境协调型友好型的无铅基压电陶瓷材料的研究迫在眉睫。

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷由于具有优良的压电性能已成为最受关注也最具潜力的无铅基压电陶瓷体系。然而，现有技术铌酸钾钠基无铅压电陶瓷仍然普遍存在着以下技术缺陷：

(1)由于碱金属氧化物Na₂O和K₂O在高温时容易挥发(通常达到1100℃时便较为明显)，从而导致化学计量比偏离组分，因此高温烧结容易造成组分不均匀、产生杂相，最终影响陶瓷的相结构。

(2)烧结温度范围狭窄。由于高温时钙钛矿相不稳定，在1100℃以上碱金属元素的缺乏，会产生钨青铜结构的从属相，并且伴随着异常晶粒长大，因而限制了烧结温度范围。

(3)铌酸钾钠基无铅压电陶瓷在常压烧结则使得陶瓷的致密度很低，很难完全烧结，其性能不高，压电常数d₃₃通常为80pC/N左右。

(4)目前现有技术铌酸钾钠基无铅压电陶瓷属于“软”性压电陶瓷，即具有较高的介电损耗，一般为3％，有的甚至达到5％，不利于铌酸钾钠基陶瓷在滤波器、制动器和高频器件等领域的实际应用。

为此，人们进行了大量的研究以解决相关问题。例如，通过引入过量的碱金属氧化物或者在密封的坩埚中进行烧结以减少或者降低挥发；通过高能球磨以降低烧结温度或者完全取代烧结，从而进一步减少挥发；通过掺杂改性或者改善制备工艺等手段来提高陶瓷的致密度和电性能等。尽管现有技术这些方法对铌酸钾钠基无铅陶瓷的改性取得了一定的效果，但是并不理想，如介电损耗仍然较高等。因此，需要从根本上改善铌酸钾钠基压电陶瓷难以烧结的缺陷，进一步提高压电性能的同时，大幅度降低陶瓷介电损耗，以满足行业发展的需要和应用领域的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低温烧结低损耗铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，以有效降低陶瓷烧结温度、扩大烧成温度范围的同时，大幅度降低陶瓷的介电损耗，提高陶瓷的压电性能，使得铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的性能得到显著的改善。本发明的另一目的在于提供上述铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：