[发明专利]一种提高铌酸钾钠基无铅压电陶瓷湿度稳定性的添加剂

说明书

技术领域

本发明属于功能陶瓷材料技术领域，特别涉及铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料。

背景技术

随着微电子和微机电系统的快速发展，压电铁电陶瓷及其器件得到广泛的应用。目前市场上大规模使用的压电陶瓷材料体系主要是铅基压电陶瓷，铅系压电陶瓷虽然具有优异的压电性能，但在其生产、使用及废弃后的处理过程中都会给人类及生态环境带来严重危害，因此新型环境友好的压电陶瓷材料已经成为世界发达国家研发的热点材料之一。其中，自从2004年Saito等人在铌酸钾钠基体系无铅压电陶瓷领域取得重大突破，该体系已成为目前最受关注的无铅压电陶瓷体系。经过近几年研究人员的努力，铌酸钾钠基体系陶瓷材料可以利用低成本的固相合成法，通过掺杂改性、成分及微观结构调控或复合其他氧化物等方法获得高压电铁电性能。但是，外界环境因素，如温度和湿度，渐渐成为制约铌酸钾钠基体系材料实际应用发展的瓶颈。其中，铌酸钾钠基体系的温度稳定性问题是由其多相共存(正交相与四方相)现象导致的，自2007年该问题被提出后，已成为目前该体系的研究热点之一。通过大量研究表明，A/B位离子掺杂、复合其他氧化物陶瓷等方法可较好地改善其温度稳定性。而外界环境因素中另一关键问题--湿度对铌酸钾钠基体系性能的影响也正渐渐引起国内外研究人员的关注。如Safari课题组发现，铌酸钾钠基基压电陶瓷的机电耦合系数与制备过程中的环境湿度(实验室环境湿度与惰性Ar气氛下比较)相关；我们的前期工作发现，对铌酸钾钠基体系原材料粉体以及预烧粉进行去湿处理及存放，会显著影响铌酸钾钠基烧结块体的压电性能。

其实，铌酸钾钠基体系陶瓷易吸潮这一关键问题早在上世纪50年代就被提出，但真正引起关注并投入研究的时间并不长，主要原因是铌酸钾钠基体系压电陶瓷的研究曾经在很长的时间内处于低谷。铌酸钾钠基体系陶瓷易潮解，主要是因为该结构中富含亲水基钾-氧、钠-氧，这些大量感湿基的存在也同时导致铌酸钾钠基体系在不同环境湿度下的性能稳定性差，严重阻碍铌酸钾钠基体系无铅压电陶瓷替代铅基材料的应用进程。因此，国内外科研人员针对铌酸钾钠基体系易潮解这一问题展开了相关研究，目的是提高铌酸钾钠基体系在水中的耐湿性：如郑等人通过复合第二相钽酸钪来提高铌酸钾钠基体系的耐水性，得到的铌酸钾钠基固溶体在水中浸泡120小时后取出，压电常数和介电损耗变化均在6％之内[Chin.Phys.Lett.，26(2009)127701]。Y.Oba等人则通过添加1wt％的氧化锌为基的玻璃相来提高铌酸钾钠基的耐水性，实验结果显示添加玻璃相后的铌酸钾钠基材料在85℃的水中放置150h后，介电常数和机电耦合系数变化在1％之内，而纯铌酸钾钠基陶瓷的变化量高于10％[2011 IOP Conf.Ser.：Mater.Sci.Eng18(2011)092050]。

但在铌酸钾钠基无铅压电陶瓷体系的实际应用环境中，除了考虑其基本的耐水性之外，更多得是涉及到不同环境湿度下铌酸钾钠基体系陶瓷电学性能的稳定性。因此，找到一种，可以提高该体系材料在不同湿度环境下的性能稳定性的方法，对推动铌酸钾钠基无铅压电陶瓷替代铅基陶瓷的进程具有非常重要的科学意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高铌酸钾钠基无铅压电陶瓷湿度稳定性的添加剂。

本发明的目的是这样实现的：以纯铌酸钾钠(成分为K₀₄₈Na_0.52NbO₃)为基体，利用球磨法添加氧化硼基金属氧化物(xB₂O₃-(1-x)MO)(x范围为0.5-1.0)，其中MO包括氧化锌、氧化铜、二氧化铈、三氧化二铋、氧化钙、二氧化硅)，再利用固相合成法制备得到成分为m(K_0.48Na_0.52NbO₃)-n(xB₂O₃-(1-x)MO)(其中m范围为0.8-0.98，n范围为0.02-0.2)铌酸钾钠基无铅压电陶瓷块体材料。该固溶体材料在不同湿度下的介电特性变化率明显小于纯铌酸钾钠，也即该材料的湿度稳定性显著提高。以添加纯氧化硼为例，该材料的制备是通过以下步骤实施：

(1)将纯度为99.9％的五氧化二铌粉和分析纯的碳酸钾粉、碳酸钠粉、氧化硼粉按照成分1-x(K_0.48Na_0.52)NbO₃-xB₂O₃(x范围从0.02～0.2)称量；