[发明专利]一种具有高压电性能和高剩余极化强度铌酸钾钠陶瓷的制备方法

说明书

本发明公开了一种具有高压电性能和高剩余极化强度的铌酸钾钠陶瓷及其制备方法。所述无铅压电陶瓷化学通式为：(Na0.5K0.5)NbO3。本发明利用一种5mm和2mm氧化锆球(质量比为1∶2)球磨珠混合球磨方式，采用固相法制备的铌酸钾钠无铅压电陶瓷具有较高的压电常数d33、平面机电耦合系数Kp和微观致密度，其压电常数可达124pC/N，相对密度可达到95.5％。同时该陶瓷的剩余极化强度为23μC/cm2，高于文献里报道的利用传统固相法制备陶瓷(10～15μC/cm2)。该发明对利用传统固相法制备高性能的无铅铌酸钾钠基压电陶瓷具有重要指导意义。

技术领域

本发明属于钙钛矿型无铅压电陶瓷技术领域，具体涉及一种具有高压电性能和高剩余极化强度铌酸钾钠陶瓷的制备方法。

背景技术

压电陶瓷由于可以实现机械能和电能的相互转换功能，便于制造各种损耗低、可靠性高、小型化的功能性元器件等优点，在国民日常生产生活的各个领域有着非常广泛的应用，如换能器、传感器、驱动器等。目前市场上的压电陶瓷器件主流材料是铅基锆钛酸铅(PZT)材料，这种铅基材料所含的重金属元素铅对包含人类在内的许多生物和环境都有着极大的危害，不少国家出台了各种相关法律旨在限制铅基压电陶瓷材料的使用。因此，开发一种可以取代锆钛酸铅(PZT)的无铅压电陶瓷材料成为研究者们极其重要的任务。钙钛矿型的三种无铅压电陶瓷材料(包括钛酸钡系、钛酸铋钠系和铌酸钾钠系)因为不含铅等有害元素成为目前有望取代铅基压电陶瓷的替代材料。钛酸钡陶瓷压电性能虽高，然而较低的居里温度(120℃)导致其温度稳定性不高，极大地限制了其作为铅基压电陶瓷替代材料的应用范围。钛酸铋钠陶瓷虽然有居里温度高、剩余极化强度高等优点，然而其Bi元素挥发问题导致其致密度不高，矫顽场高，极化难度大，压电性能低。铌酸钾钠陶瓷居里温度很高(420℃)，压电性能虽然较低(d33＝80pC/N)，研究者们通过掺杂、构建二元或三元体系等方法在室温附近调控相界，在室温附近构建出了三方-正交相界、正交-四方相界、三方-四方相界或三方-正交-四方相界等，由于室温附近的多相共存，能量壁垒低，电畴在极化电场作用下更容易翻转，使得铌酸钾钠基压电陶瓷压电性能得到了极大的改善，甚至可以与PZT材料相媲美，铌酸钾钠基陶瓷因此成为有望取代锆钛酸铅(PZT)的无铅压电陶瓷热点材料。作为铌酸钾钠基陶瓷中最为基础的组成成分，使用传统固相法制备的纯铌酸钾钠陶瓷往往由于碱金属元素钾、钠的挥发问题导致烧结后致密度不高(相对密度低于95％)，导致其剩余极化强度、压电性能往往不高。纯铌酸钾钠陶瓷材料致密度可以通过使用特殊制备方法如热压烧结、溶胶-凝胶法等提高，进而提高陶瓷材料的剩余极化强度、压电性能，然而特殊制备方法往往有着工艺复杂、成本高等缺点。专利CN 111517788A提供了一种通氧气气氛下热压烧结制备高剩余极化强度铌酸钾钠陶瓷的制备方法，向热压炉通入60mL/min氧气气流，达到烧结温度后给样品施加30～60MPa的烧结压力，保持20～100min，热压烧结的样品进行氧气退火处理，获得的(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷剩余极化强度很高，可以达到24～27μC/cm2，但是其成本比较高，同时也不易用于大规模工业量产，该方案也没有对这种通氧气气氛下热压烧结的铌酸钾钠陶瓷压电性能进行研究。因此，如何利用成本低、易于工业量产的传统固相法制备具有高致密度的铌酸钾钠陶瓷，从而提高其剩余极化强度、压电性能成为铌酸钾钠陶瓷领域的研究热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的缺点，提供一种具有高压电性能和高剩余极化强度的铌酸钾钠(Na0.5K0.5)NbO3陶瓷材料的传统固相制备方法，本发明解决了传统固相法制备的铌酸钾钠陶瓷致密度低、压电性能差、剩余极化强度小的问题。

为解决本发明的技术问题，采用如下技术方案。

一种具有高压电性能和高剩余极化强度铌酸钾钠陶瓷的制备方法，具体步骤如下：

(1)烘料：将易于吸潮的碱金属盐K2CO3和Na2CO3置于烘箱中在200～250℃烘烤2～5h去除水分；