[发明专利]一种铌酸钠钾基无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开了一种铌酸钠钾基无铅压电陶瓷及其制备方法，铌酸钾钠基压电陶瓷的化学式为(1‑x)(K_0.5Na_0.5)NbO₃‑xBi(Li_0.5Sb_0.5)O₃，其中0.01≤x≤0.20。按照化学计量比(1‑x)(K_0.5Na_0.5)NbO₃‑xBi(Li_0.5Sb_0.5)O₃称量干燥的原料混合后球磨并烘干，得到混合物料；高温预烧步骤1的所得混合物料，得到预烧粉料后二次球磨并烘干，得到二次球磨粉料；向二次球磨粉料中添加粘合剂造粒，再进行过筛后压制成型，得到陶瓷素胚；排胶去除有机粘合剂后高温烧结，得到烧结陶瓷；将烧结陶瓷两侧表面被银并高压极化，制得铌酸钠钾基无铅压电陶瓷。通过组分设计和工艺优化有效改善了铌酸钠钾基陶瓷的烧结特性，抑制了钠、钾元素的挥发，降低气孔率，提高陶瓷致密度，进而提高了介电常数，降低了损耗，改善KNN基陶瓷的综合性能。

技术领域

本发明属于压电陶瓷器件技术领域。特别是一种铌酸钠钾基无铅压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

随着电子信息技术的飞速发展，人们对手机、个人电脑等电子的产品性能、外观和便捷性要求越来越高，高性能电容器是实现市场需求的重要电子原器件。为此，亟待开发具有高介电常数、低损耗和宽温区间的新型陶瓷电容器。

目前，锆钛酸铅(简称PZT)为代表的铅基电子陶瓷材料占据了应用市场的绝大部分份额，广泛用于电容器、传感器、制动器、变压器和超声换能器等压电器件。然而，铅基陶瓷超过50％的铅含量造成了其在制备、加工和使用过程中对人体健康及自然环境的极大危害和污染。同时，我国有限的铅资源储量也成为限制铅基材料未来发展的制约因素。因此，从人类健康和社会可持续发展需求出发，压电陶瓷无铅化是解决该问题的极重要途径。无铅压电陶瓷研究已成为21世纪材料领域的热点之一。

铌酸钾钠(K_0.5Na_0.5)NbO₃，KNN)具有与PZT同样的ABO₃型钙钛矿结构，其陶瓷表现出高介电常数、高压电常数、高机电耦合系数、低介电损耗、高居里温度(Tc)及环境友好等优良性能，是目前有望替代含铅陶瓷的综合性能最好的无铅压电体系之一。虽然KNN陶瓷性能表现优异，但KNN陶瓷制备困难，常规烧结方法制备的陶瓷样品组织结构中孔隙率很高，致密度低；加之K、Na在高温下严重挥发，导致烧结陶瓷组分严重偏离设计化学计量比，难以获得高压电、机电性能。KNN陶瓷的这些问题极大的限制了其在压电器件开发中的应用，是目前亟待解决的问题和难题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种高性能铌酸钠钾基无铅压电陶瓷及其制备方法，通过陶瓷组分设计和工艺改良，改善KNN陶瓷烧结特性，提高陶瓷的致密度和介电性能，进而改善KNN陶瓷的综合性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种铌酸钠钾基无铅压电陶瓷，化学式为(1-x)(K_0.5Na_0.5)NbO₃-xBi(Li_0.5Sb_0.5)O₃，x表示摩尔分数，0.01≤x≤0.20；压电常数d₃₃为280～312pC/N，机电耦合系数k_p为0.493～0.556。

本发明所述铌酸钠钾基无铅压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按照化学计量比(1-x)(K_0.5Na_0.5)NbO₃-xBi(Li_0.5Sb_0.5)O₃称量干燥的碳酸钠、碳酸钾、五氧化二铌、氧化铋、碳酸锂以及三氧化二锑混合后球磨并烘干，得到混合物料；