[发明专利]具有超高压电响应的无铅压电陶瓷材料及制备方法

说明书

本发明涉及具有超高压电响应的无铅压电陶瓷材料及制备方法，其化学成份符合化学通式(0.99‑x)KNNS‑0.01CZ‑xBKH‑yNN；其中BKH的含量变化0.01≤x≤0.06；NN模板的含量y变化为0.01≤y≤0.10，其中的KNNS为(K_0.5Na_0.5)(Nb_0.965Sb_0.035)O₃，CZ为CaZrO₃，BKH为(Bi_0.5K_0.5)HfO₃，NN为NaNbO₃。与现有技术相比，本发明中的陶瓷组分结合织构化的制备方法制得的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷具有超高的压电系数，不仅适用于超声换能器，声音转换器，微位移驱动器等高技术领域而且适用于压电陶瓷点火器，压电陶瓷蜂鸣器等日程生活设备中。

技术领域

本发明属于功能陶瓷材料领域，尤其是涉及一种具有超高压电响应的无铅压电陶瓷材料及制备方法。

背景技术

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能相互转换的信息功能材料。压电陶瓷在机械应力的作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即正压电效应。另外，压电陶瓷的自发极化也可以在外电场下发生改变，压电陶瓷极化强度的改变会导致压电陶瓷的伸长或收缩。这种由于电效应转变为机械效应的现象叫做逆压电效应。压电陶瓷所具有的正、逆压电效应使其在日常生活和高新技术领域都有广泛的应用。可以毫不夸张地说，压电陶瓷材料的应用已遍及人们日常生活中的每个角落，如压电点火器、煤气灶、电子钟表、报警器、儿童玩具、蜂鸣器等。此外，银行、商店、安全保密场所的管理以及侦察、破案等场合都可能要用上能验证每个人笔迹和声音特征的压电传感器；医院检查人体内脏器官用的超声仪都要用到压电陶瓷探头；原子力显微镜及其他需要精密定位的设备也都需要压电陶瓷的微位移功能。随着人们对环境保护意识的增强及对以压电材料为基础的功能器件的性能的要求的日趋苛刻，研发高性能无铅压电陶瓷来替代以锆钛酸铅(PZT)为代表的铅基压电陶瓷材料成为一项紧迫而具有经济价值的课题。

目前，对于无铅压电材料的研究主要集中在钛酸铋钠(BNT),铌酸钾钠(KNN),锆钛酸钡钙(BCZT)等体系。经过长时间的研究，这些无铅压电陶瓷材料在制备和性能上都取得了一定的进展，但总体来说每种材料体系都有其明显的缺点，现在还没有一种无铅压电材料能完全取代铅基材料。2004年，Saito等人利用织构化工艺得到了晶粒取向生长的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其压电系数d₃₃高达416pC/N，逆压电系数高达750pC/N，这些参数都可以和PZT基压电陶瓷相媲美。此研究结果大大地激发了科研工作者研究铌酸钾钠基压电材料及织构化制备工艺的热情。由于铌酸钾钠基无铅压电陶瓷优异的压电性能以及较高的居里温度，也使得铌酸钾钠基无铅压电陶瓷被认为是最具有希望取代铅基压电陶瓷的体系之一。目前对于铌酸钾钠基压电陶瓷材料的研究主要集中在利用元素掺杂来设计多晶型相界以提高材料的压电性能。虽然利用元素掺杂的手段在某种程度上已经提高了压电陶瓷的压电性能，但其居里温度通常也随着掺杂元素的含量的增加而剧烈降低，从而影响了压电陶瓷的温度稳定性。另外，利用元素掺杂的手段，随着掺杂元素的含量的变化陶瓷的成瓷温度也明显不同，从而给陶瓷的烧结带了很大的困难。