[发明专利]铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料

说明书

技术领域

本发明涉及一系列高压电性、高温度稳定性、高居里温度的铌酸钾钠基BaZrO₃-Bi(Mg，Ti)O₃-(K，Na，Li)NbO₃三元无铅体系压电陶瓷材料，属于ABO₃型钙钛矿结构，是一种环境友好型材料，在传感器、驱动器等领域有着广泛的应用前景。

背景技术

压电陶瓷是一种能够实现机械能和电能相互转换的功能陶瓷材料，广泛应用于军事、汽车、商业和医疗技术等领域。锆钛酸铅（PZT）由于在准同型相界（MPB）附近具有非常优异的压电性能而得到广泛的应用（Peng C,Li J-F,Gong W.Preparation and properties of(Bi1/2Na1/2)TiO3–Ba(Ti,Zr)O3lead-free piezoelectric ceramics.Materials Letters2005;59:1576-80），但是锆钛酸铅基陶瓷中含有超过60%的有毒Pb离子，在生产、使用和废弃后处理的过程中严重危害人类的生态环境。因此，压电材料的无铅化是国际上普遍关心的问题，并制定了相应的法规，如欧盟规定至2006年7月，所有新生产的电子产品都不得不含铅、镉等六种有害物质（YI Li KM,CP Wong.Electronics without lead.Materials Science2005），我国在2007年也出台法规，限制含铅电子产品的生产。因此，研究和开发无铅压电陶瓷是一项迫切的、具有重大社会和经济意义的课题。

目前，研究广泛的钙钛矿结构无铅压电陶瓷主要有钛酸钡BaTiO₃、钛酸铋钠(Bi，Na)TiO₃、钛酸铋钾(Bi，K)TiO₃和铌酸钾纳（（K，Na）NbO3，简称KNN）。KNN相比于其它两类材料具有压电性能好、居里温度高等特点。纯的KNN陶瓷在-120℃、200℃和420℃有三个介电常数峰，分别对应三方→正交结构的铁电-铁电相变、正交→四方结构的铁电-铁电相变和四方→立方结构的铁电-顺电相变（Chu R-Q,Hao J-G,Xu Z-J,Zang G-Z.Preparation and Characterization of(K0.5Na0.5)0.94_-2xLi0.06SrxNb0.98Sb0.02O3Lead-free Piezoelectric Ceramics.Journal of Inorganic Materials2010;25:1164-8）。当钾钠比为1：1时，KNN具有最大的压电系数d33和机电耦合系数kp。

获得高压电性能的KNN的重要技术方法和途径是寻找与KNN基形成近垂直的准同型相界（MPB）化学组成，从而获得既具有高的压电性能又具有好的温度稳定性的无铅压电陶瓷，但是难度很大，至今未有相关的专利和研究论文。因此，目前，提高KNN压电陶瓷的改性工作主要集中在两个方面：1）改善烧结特性，以获得致密的KNN陶瓷：利用添加烧结助剂或者采用热压、放电等离子烧结等工艺能大幅增加陶瓷的烧结密度，因此压电性能也有明显升高，利用此方法，纯KNN压电陶瓷的压电常数一般也不超过160pC/N；2）掺杂改性：掺入第二相组元，降低正交-四方相变温度至室温附近。利用掺入Li、BaTiO₃等第二组元，可有效的降低体系的正交-四方相变温度至室温，从而提高陶瓷压电性能。但是用此方法获得的KNN体系陶瓷，实际上形成了多晶型相变（PPT）的结构，温度稳定性差。因此，找出一种既具有高的压电性能又具有好的温度稳定性的准同型相界(MPB)结构，是目前无铅KNN体系的研究热点之一。

发明内容

面对现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种同时具有高压电性能和高温度稳定性的无铅压电陶瓷体系。

在此，本发明提供一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料，所述陶瓷材料的化学组成为xBaZrO₃-yBi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃-(1-x-y)(K_0.45Na_0.55-zLi_z)NbO₃，其中0<x≤0.1，0<y≤0.1，0.05≤z≤0.08。