[发明专利]一种新型铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型压电陶瓷材料，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

压电陶瓷是一类在电子行业应用广泛的高新技术材料。但目前大规模使用的是锆钛酸铅Pb(Zr,Ti)O₃基压电陶瓷(称为PZT基压电陶瓷)，PZT基压电陶瓷中Pb含量高达60wt. %以上，在其制备、使用、废弃过程中都会对人类身体健康及其生存环境造成危害。因此研发压电性能优异，环境友好的无铅压电陶瓷是一项迫切的、具有重要社会意义的课题。

在无铅压电陶瓷体系中，铌酸钾钠 (K,Na)NbO₃ 基无铅压电陶瓷(称为KNN基压电陶瓷)，因其具有较高的居里温度和较好的机电耦合性能，被认为是最有潜力取代铅基压电陶瓷的候选材料之一。但用传统烧结工艺制备的KNN陶瓷致密度不高，压电性能也较差。其原因主要有以下几点： KNbO₃-NaNbO₃固溶体的相稳定温度在1140 ℃以下； KNN陶瓷中的碱金属在较高温度下烧结时容易挥发，造成陶瓷的实际成分偏离化学计量式，容易形成第二相而降低其压电性能； 较高的烧结温度和较长的保温时间，容易使陶瓷的部分晶粒出现异常长大现象，使晶粒的分布出现两极分布状况。

通过调整制备工艺或者掺杂改性等措施有望克服上述缺点。目前制备KNN陶瓷的烧结方法主要有热压烧结、放电等离子烧结等。这些烧结技术虽然能提高陶瓷材料的致密度，但其设备昂贵，样品的形状和数量都受到严格限制，不适合工业化生产。目前的研究资料表明，烧结过程中影响KNN基陶瓷碱金属挥发的因素主要有烧结温度和烧结时间。传统烧结工艺的烧结温度比较高，烧结时间比较长，不利于KNN基陶瓷的烧结，因此传统烧结工艺制备的KNN陶瓷的压电常数d₃₃只有80 pC/N。

发明内容

本发明目的是为了解决上述技术问题存在的不足，提供一种致密度高、综合压电性能优异并且环保的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法。

本发明所采用的技术方案为：通过调整铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的成分，采用微波烧结、焙银、极化等制备工艺，在较低的烧结温度和较短烧结时间内制备出致密度较高、压电性能优异并且环保的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。本发明所用原料为化学纯Na₂CO₃、K₂CO₃、Li₂CO₃、Nb₂O₅、Ta₂O₅、Sb₂O₃， 添加剂为化学纯ZnO、ZnCO₃或5ZnO·4CO₂·6H₂O；该陶瓷的成分组成可用化学式表示为：(Na_0.52K_0.46Li_0.06)(Nb_0.86Tb_0.08Sb_0.06)O₃+xZnO，其中，x =0.00~0.05。

本发明微波烧结制备铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的工艺过程为：

步骤一、本发明所用原料为化学纯Na₂CO₃、K₂CO₃、Li₂CO₃、Nb₂O₅、Ta₂O₅、Sb₂O₃， 添加剂为化学纯ZnO、ZnCO₃或5ZnO·4CO₂·6H₂O；将原料按化学式 (Na_0.52K_0.46Li_0.06)(Nb_0.86Tb_0.08Sb_0.06)O₃+xZnO（x =0.00~0.05）的配比进行称量、配料，用无水乙醇作为球磨介质，用行星式球磨机球磨4～8 h，再将浆料放在干燥箱内100 ℃烘干8 h后得到干粉；