[发明专利]一种高压电性能和高稳定型抗还原铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高压电性能和高稳定型抗还原铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法。所述压电陶瓷的化学式如下：(1‑x)[(1‑y)K_0.5Na_0.5Nb_1‑zTa_zO₃‑yBi_0.5(Na_0.82K_0.18)_0.5ZrO₃]‑xCaZrO₃+k％M；其中，x、y、z和k表示摩尔分数，0≤x≤0.03，0.02≤y≤0.05，0≤z≤0.12，0.2≤k≤0.6，且x、y和z不同时为零；M表示锰化合物。本发明提供的抗还原型铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，压电常数d₃₃达275pC/N以上，平面机电耦合系数k_p可达0.50，在50kV/cm电场下，陶瓷应变可达0.20％，最大逆压电常数d₃₃^*达到500pm/V(E＝25kV/cm)。在35kV/cm电场下，样品室温d₃₃^*＝460pm/V，并且在波动为±10％范围内，逆压电系数d₃₃^*的温度稳定在Te＝125℃之内。

技术领域

本发明涉及一种高压电性能和高稳定型抗还原铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法，属于无铅压电陶瓷材料技术领域。

背景技术

在压电驱动器市场中，铅基压电材料占据主导地位，例如PZT基压电陶瓷。而由于铅基材料在生产和废弃过程中，都会对人体和环境导致危害，因此，许多国家和地区已经立法限制或者禁止铅基材料的使用。这就要求研制能够取代铅基压电材料的无铅压电材料。虽然，当前的无铅压电陶瓷的研究进展迅速，但是，其压电性能尚与铅基材料存在一些差距。在驱动器应用方面，主要问题是压电位移量不足和温度稳定性欠佳。

压电材料多层化技术是解决无铅压电材料应变不足的最佳手段，即通过多层结构设计可以提高压电材料的总位移量。对同等厚度的无铅基压电材料，施加同等压电时，多层结构设计的压电材料的应变量可成倍提高，即

总位移量S_总＝层数(N)×单层(S_单)

随着科学技术的不断进步，电子信息技术产业也得到了飞速发展。压电陶瓷材料的应用研究逐渐深入各个领域之中，未来市场对电子元器件设计提出了新的要求，要做到小型化、功能化、低成本、高稳定性和多层化。多层化器件中的内电极通常使用银钯电极，这类电极的价格昂贵，不利于降低器件的成本。因此，采用廉价的贱金属内电极为最佳的方案。以镍电极为例，镍电极作为内电极的优势有：1、镍电极成本低，仅为常规的Pd30-Ag70电极的5％左右；2、镍原子的电迁移速度较Ag或Pd-Ag小，因而具有良好的电化学稳定性，可以提高多层压电陶瓷的可靠性；3、镍电极对焊料的耐腐蚀性和耐热性好，工艺稳定性好；4、Ni电极的抗氧化性要优于Ag电极；5、Ni电极具有很高的熔点，可达1300℃以上，可实现与陶瓷基体共烧。

由于镍金属电极在400℃以上发生氧化反应，这个氧化温度远低于陶瓷的烧结温度，因此，在多层陶瓷材料高温共烧时，必须提供还原气氛作为保护。因此，这对压电材料本身提出了新的要求，即还要具有良好的抗还原特性。因此需要提供一种抗还原无铅压电陶瓷。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压电性能和高稳定型抗还原铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法，该方法在还原气氛下烧结得到铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，具有居里温度(Tc)高、压电性能优异、抗还原特性和高的逆压电系数d^*₃₃的温度稳定性(Te)。

本发明所提供的抗还原铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其化学式如下：