[发明专利]超低介电损耗的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明属于无铅铁电压电陶瓷材料技术领域，具体涉及超低介电损耗的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料及其制备方法。本发明公开了超低介电损耗的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料，其化学表达式为：[(Na_0.1K_0.9)_0.23Li_0.77][(Nb_0.15Sb_0.85)_0.41Ta_0.59]O₃+xmol％TM；其中TM为MnO₂、Fe₂O₃、Ni₂O₃或CuO中的一种；x值为0.1～0.75。还公开了超低介电损耗的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料的制备方法。本发明通过Li⁺对A位Na⁺、K⁺和Ta⁵⁺、Sb⁵⁺对B位Nb⁵⁺复合取代、金属氧化物掺杂三种方式协同改性的特殊方法，解决了纯KNN陶瓷可烧结性差的缺点，实现用传统烧结工艺制备出不仅具有优良电学性能的铌酸盐无铅压电陶瓷材料，而且其介电损耗大幅优于目前报道的KNN基陶瓷；本发明的制备方法，其具有工艺简单、重复性、稳定性好的效果，因此具有实际应用的价值。

技术领域

本发明属于无铅铁电压电陶瓷材料技术领域，具体涉及超低介电损耗的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷是一种可实现机械能与电能的相互转换的信息功能陶瓷材料，被广泛应用于传感器、驱动器、超声换能器、谐振器、蜂鸣器等众多电子元器件领域。长期以来，目前大量使用的压电陶瓷主要是以Pb(Zr，Ti)O₃(简称PZT)或Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃(简称PMN-PT)等为主，然而在这些压电陶瓷材料中PbO(或Pb₃O₄)的含量约占60％左右。铅的毒性使得铅基压电陶瓷在制备、使用及废弃处理过程中都会散播有毒物质，对人类及生态环境带来严重危害，这与人类可持续发展战略相矛盾。因此研究和开发环境友好型的无铅压电陶瓷是一项有重大现实意义的课题，尤其是具有超低介电损耗性能的无铅陶瓷材料就显得尤为重要。在压电材料无铅化的研究与开发上世界各国均进行了不少工作，并取得了阶段性的进展。至今为止，主要的无铅压电陶瓷体系包括：BaTiO₃(BT)、Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)、(K，Na)NbO₃(KNN)、Ba(Ti，Zr)O₃-(Ba，Ca)TiO₃(BZT-BCT)等。在这些体系中，(K_0.5Na_0.5)NbO₃(KNN)基陶瓷很可能是目前最有发展前途的材料，由于它的制备工艺简单，具有较高的压电铁电性能及较高的居里温度等。例如Zhuang Liu等研究了Ce和Mn共掺杂的BS-PTC-BZT-MnO₂陶瓷的介电损耗和高压电常数。采用固相烧结方法制备了MnO₂掺杂的0.99(0.36BiScO₃-0.64PbTi_1-xCe_xO₃)-0.01Bi(Zn_0.5Ti_0.5)O₃(BS-PTC-BZT-MnO₂)陶瓷，首次报道了Ce元素可以降低介电损耗(tanδ)，同时抑制压电常数(d₃₃)的下降。当x＝0.02时，该压电材料同时具有低介电损耗(tanδ＝1.36％，1kHz)和高压电常数(d₃₃＝360pC/N)，优于大多数报道的BS-PT。此外，报道了优异的综合性能，包括高居里温度(T_c＝422℃)、高介电常数(ε_r＝1324)和剩余极化(P_r＝35.1uC/cm²)，分析了降低介电损耗的原因，即不对称的S-E和P-E磁滞回线表明，缺陷和氧空位是由多价元素(Ce和Mn)引起的。