[发明专利]一种锗掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其低温烧结方法

说明书

技术领域

本发明属于压电陶瓷领域，特别涉及一种锗掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其低温烧结方法。

背景技术

压电材料是实现机械能和电能之间相互转换的材料，在传感器、换能器、致动器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用，是一类极其重要的功能材料。自从1954年Jaffe等发现锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷以来，PZT陶瓷在压电陶瓷中就占有统治的地位，到目前为止仍然没有找到压电性可以和PZT相比的其它材料。但这类材料有一个非常突出的缺点，那就是在生产、使用和报废处理过程中会产生对人类和环境有严重损害的铅污染。目前许多国家已立法禁止或限制铅在电子元器件中的使用。中国作为压电陶瓷和元器件市场的出口大国，研发出环境友好型无铅压电陶瓷就尤为迫切了。

近年来，铌酸钾钠(KNN)基无铅压电陶瓷因具有高的居里温度和较好的压电性能，被认为是最有潜力取代铅基压电陶瓷的候选材料之一。但不掺杂的KNN陶瓷由于烧结温度范围窄和烧结过程中碱金属元素的挥发和分凝，很难获得高致密度的陶瓷材料，因而性能也不甚理想，常压烧结的KNN陶瓷的d₃₃只有80pC/N。采用热压烧结的KNN陶瓷相对密度可以达到99％，相应陶瓷的d₃₃可以达到127pC/N，放电等离子烧结的KNN陶瓷d₃₃更是可以达到148pC/N。虽然这些烧结技术制备的KNN陶瓷比较致密，但设备复杂，大批量生产困难，不适合商业开发。目前，不加烧结助剂的KNN陶瓷烧结温度在1100℃左右，该温度下烧结的陶瓷组分挥发和分凝严重。找到合适的烧结助剂将KNN基陶瓷的烧结温度降低到1040℃以下，对该材料的实际应用具有非常重要的意义。

发明内容

针对现有制备方法烧结温度高，组分控制困难，材料性能不佳等不足，本发明提供一种低温合成的锗掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法，并且制备的陶瓷具有较好的压电性能。

本发明采用传统的固相合成法和常压烧结工艺，在较低的温度范围内(900～1040℃)合成了锗掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。该陶瓷的化学组成通式为(K_aNa_bLi_c)(Ta_dNb_1-d)O₃+xGeO₂，其中a、b、c、d分别代表K、Na、Li、Ta组成元素的摩尔分数，x代表GeO₂占陶瓷总质量的百分数，其数值范围是：0.4≤a≤0.6，0.4≤b≤0.6，0≤c≤0.1，0≤d≤0.2，0＜x≤2％。

上述锗掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的低温烧结方法，该方法包括如下步骤：

(1)将原料进行烘干，然后按照通式(K_aNa_bLi_c)(Ta_dNb_1-d)O₃+xGeO₂的配比，将烘干后的原料进行称量，配料；

(2)将配好的原料进行球磨处理并烘干得到干粉；

(3)将干粉在800～900℃保温1～10小时，进行铌酸钾钠基粉体的合成；

(4)在制备好的铌酸钾钠基粉体中加入粘结剂进行造粒后，放入模具内压制成型；

(5)将压制好的素坯在900～1040℃烧结2～4小时，得到铌酸钾钠基陶瓷片；

(6)对铌酸钾钠基陶瓷片进行被银和极化处理。

步骤(1)所述烘干的条件可以为：在100～200℃下烘干10～24小时。

步骤(2)所述球磨的条件为：使用氧化锆球和丙酮作为球磨介质，用球磨机以180～220转/分钟的速度球磨1～20小时。

步骤(2)所述烘干的条件可以为：在50～200℃下烘10～24小时。

步骤(4)所述压制成型的条件可以为：用油压机在100～300MPa下压制成型。

步骤(6)所述被银处理为：用400～1200目细砂纸打磨铌酸钾钠基陶瓷片的表面，之后在两表面均匀地涂上银浆，并在500～600℃保温30分钟～1小时。

步骤(6)所述极化处理为：将被银后的陶瓷片放入硅油中进行极化，极化温度为：室温～200℃，极化电压为：2～4KV/mm，极化时间为：20～50分钟。