專利名稱：一種高性能鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備方法
技術領域：
本發明涉及功能陶瓷材料技術領域，尤其涉及一種鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備方法。
背景技術：
壓電陶瓷是一類重要的功能陶瓷，壓電材料及器件具有實現電能與機械能直接轉換的功能，其工作原理源自力-電耦合的壓電效應，交叉涉及材料、物理、力學等多個學科， 已廣泛應用于超聲換能、傳感器、電子信息、無損檢測等技術領域。由于含鉛的壓電陶瓷其性能優越，因此現有技術一直都是以含鉛的鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷占主導地位。然而，這類陶瓷材料中氧化鉛的含量通常高達70%，而鉛是一種有毒的物質，鉛中毒會嚴重影響兒童的智力發育，危害人體的神經系統、心臟和呼吸系統。而且，隨著鉛基壓電陶瓷使用的日益增長，在煅燒、燒結、加工、使用以及廢棄物的處理過程中，大量的鉛以氧化物和鋯鈦酸鹽的形式被釋放到環境當中，給人類的生活和自然環境帶來了嚴重的危害。因此，許多國家已將鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷列為要被安全材料替代的有害物質，且已納入立法機構。而我國是壓電陶瓷的生產大國，面臨的形勢更加嚴峻，因此開發無鉛壓電陶瓷具有重大的社會意義和經濟意義。在目前的無鉛壓電陶瓷體系中，鈮酸鉀鈉基(KNN體系)無鉛壓電陶瓷由于具有居里溫度高、介電常數低、機電耦合系數高等特性，因此是目前研究最為廣泛、且最具實用性的無鉛壓電陶瓷體系。但是，常壓燒結獲得的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷其性能不高(壓電常數d33 = 80pC/N)，因此，現有技術通過調節鉀、鈉比例，或者采用熱壓燒結或放電等離子燒結工藝，發展到采用摻雜改性等技術措施，使得陶瓷材料的壓電常數有了較大的提高，但仍然無法接近或達到傳統鉛基壓電陶瓷的性能，使得應用受到了很大的限制。此外，現有技術KNN體系無鉛壓電陶瓷在提高了壓電性能的同時，均會出現介電常數偏小、介電損耗較高的問題，使得極化不穩定，綜合性能也不穩定，所制備的材料其性能仍然不理想。如何制備具有高壓電常數、高介電常數以及低介電損耗的無鉛壓電陶瓷以獲得性能優異且穩定的材料，仍然是KNN體系無鉛壓電陶瓷急需研究和解決的問題。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種高性能鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，以顯著提高陶瓷材料的壓電和介電性能，從而獲得性能優異且穩定的壓電材料。本發明的另一目的在于提供上述無鉛壓電陶瓷的制備方法。本發明的目的通過以下技術方案予以實現本發明提供的一種高性能鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，以通式(I-X)(KaNiib) cLid (NbeTafSbg) O3-XBaZrO3 表示,其中 a、b、c、d、e、f、g 為摩爾分數，0. 35 < a 彡 0. 6、0. 35
<b ^ 0. 6、0· 92 < c ^ 0. 99、0 < d ^ 0. 25,0. 74 < e ^ 0. 89,0. 1 < f ^ 0. 3、0· OlSg
<0. 3 ;x 表示 Ba&03 對(KaNab)。Lid(NbeTafSbg) O3 的摩爾百分比，0 彡 χ 彡 30 %，優選 0< χ 彡 30%。進一步地，所述a、b、c、d、e、f、g、χ 分別為 0. 41 < a 彡 0. 58、0. 41 < b 彡 0. 56、 0. 92 < c ^ 0. 99、0 < d ^ 0. 25,0. 74 < e ^ 0. 89,0. 1 < f ^ 0. 3、0. 01 < g < 0. 3、 0. 2 % 彡 χ 彡 30 %。優選地，0· 42 彡 a 彡 0· 56、0· 42 彡 b 彡 0· 56、0· 93 彡 c 彡 0· 99、 0. 01 彡 d 彡 0. 25,0. 75 彡 e 彡 0. 89,0. 11 ^ f ^ 0. 3,0. 01 彡 g 彡 0. 2,0. 2%^ χ 彡 15%。本發明的另一目的通過以下技術方案予以實現本發明提供的上述高性能鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下步驟(1)制備鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷預燒坯體(1-1)將K、Na、Li、Ba的碳酸鹽，Nb, Sb, Ta, Zr的氧化物按照所述通式稱取配料；(1-2)將配好的原料加入以無水乙醇為介質的球磨機中，球磨混料2 48h，烘干后得到混合粉料；(1-3)將混合粉料在空氣中，于700 1000°C溫度下預燒，保溫2 10h，隨爐冷卻；(1-4)將預燒后的物料以無水乙醇為介質球磨2 48h，烘干造粒，在15 ^MPa 下壓制成型得到鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷預燒坯體；(2)將預燒坯體在空氣中燒結，燒結溫度為1000 1200°C，保溫時間為1. 5 10h，隨爐冷卻得到陶瓷片；(3)陶瓷片上銀極化，極化溫度為100 180°C，極化電壓為2 7KV/mm，極化時間為20 60min，制得高性能鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷。進一步地，本發明方法所述步驟(1- 中，將混合粉料在10 30MI^壓力下壓制成型后進行預燒，以利于反應的充分進行，得到的預燒物料為鈮酸鉀鈉基預燒塊；所述鈮酸鉀鈉基預燒塊磨碎后，進行后續的球磨、烘干造粒。磨碎的粒度以過60 100目篩為宜。進一步地，本發明方法所述步驟(1-4)中，按照質量比乙醇球物料=1 2 2 3 1 2進行球磨。本發明具有以下有益效果本發明KNN基無鉛壓電陶瓷具有很高的綜合性能。不僅大幅度提高了陶瓷材料的壓電性能，而且通過添加BaCO3和&02，有效降低了介電損耗并提高了介電常數。而在制備工藝方面，將混合粉料壓制成型后再進行預燒，有利于反應的充分進行，可提高極化的穩定性。所制備的鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷性能優異且穩定，壓電常數d33超過^OpC/N、可高達 398pC/N，接近于傳統鉛基壓電陶瓷的壓電性能，應用中可完全取代傳統的鉛基壓電陶瓷， 具有重要的實際意義和社會效益。


下面將結合實施例和附圖對本發明作進一步的詳細描述圖1是本發明實施例之一 五、七、八鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的制備工藝流程圖；圖2是本發明實施例之六鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的制備工藝流程圖；圖3是本發明實施例之二鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的XRD圖譜(預燒溫度為 850°C，燒結溫度為1130°C )。
具體實施例方式本發明鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷以通式(1-x) (KaNab) cLid(NbeTafSbg) O3-XBaZrO3 表示，其中 a、b、c、d、e、f、g 為摩爾分數，0. 35 < a ^ 0. 6、0· 35 < b 彡 0· 6、0· 92 < c 彡 0. 99、 0 < d 彡 0· 25、0· 74 < e 彡 0· 89、0· 1 < f 彡 0· 3、0· 01 彡 g < 0. 3 ;x 表示 BaZrO3 對(KaNgib) cLid(NbeTafSbg)O3的摩爾百分比，0彡χ彡30%。本發明各實施例鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，其通式(1-x) (K3Nab)cLid(NbeTafSbg) O3-XBaZrO3中的配方參數如表1所示。表1各實施例高性能鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷通式中的配方參數
權利要求
1.一種高性能鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，其特征在于以通式(1-x) (KaNab) cLid (NbeTafSbg) O3-XBaZrO3 表示，其中 a、b、c、d、e、f、g 為摩爾分數，0. 35 < a 彡 0· 6、0· 35<b ^ 0. 6、0· 92 < c ^ 0. 99、0 < d ^ 0. 25,0. 74 < e ^ 0. 89,0. 1 < f ^ 0. 3、0· OlSg<0. 3 ;χ 表示 Ba&03 對(KaNab)eLid(NbeTiifSbg)O3 的摩爾百分比，0 彡 χ 彡 30%。
2.根據權利要求1所述的高性能鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，其特征在于所述χ為0<χ 彡 30%。
3.根據權利要求1或2所述的高性能鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，其特征在于所述a、 b、c、d、e、f、g、x 分別為 0. 41 <a^0. 58,0. 41 <b^0. 56,0. 92 < c 彡 0. 99、0<d<0. 25、 0· 74 < e 彡 0· 89,0. 1 < f ^ 0. 3、0· 01 彡 g < 0· 3、0· 2%^ χ 彡 30%。
4.根據權利要求3所述的高性能鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，其特征在于所述a、b、c、 d、e、f、g、x 分別為 0. 42 彡 a 彡 0. 56,0. 42 彡 b 彡 0. 56,0. 93 彡 c 彡 0. 99,0. 01 彡 d 彡 0. 25、 0. 75 彡 e 彡 0. 89,0. 11 ^ f ^ 0. 3,0. 01 彡 g 彡 0. 2,0. 2%^ χ 彡 15%。
5.權利要求1-4之一所述高性能鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下步驟(1)制備鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷預燒坯體(1-1)將K、Na、Li、Ba的碳酸鹽，Nb、Sb、Ta、Zr的氧化物按照所述通式稱取配料； (1-2)將配好的原料加入以無水乙醇為介質的球磨機中，球磨混料2 48h，烘干后得到混合粉料；(1-3)將混合粉料在空氣中，于700 1000°C溫度下預燒，保溫2 10h，隨爐冷卻； (1-4)將預燒后的物料以無水乙醇為介質球磨2 48h，烘干造粒，在15 ^MPa下壓制成型得到鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷預燒坯體；(2)將預燒坯體在空氣中燒結，燒結溫度為1000 1200°C，保溫時間為1.5 10h，隨爐冷卻得到陶瓷片；(3)陶瓷片上銀極化，極化溫度為100 180°C，極化電壓為2 7KV/mm，極化時間為 20 60min，制得高性能鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷。
6.根據權利要求5所述的高性能鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于 所述步驟(1-3)中，將混合粉料在10 30MI^壓力下壓制成型后進行預燒，得到的預燒物料為鈮酸鉀鈉基預燒塊；所述鈮酸鉀鈉基預燒塊磨碎后，進行后續的球磨、烘干造粒。
7.根據權利要求6所述的高性能鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于 所述磨碎的粒度為過60 100目篩。
8.根據權利要求5或6或7所述的高性能鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于所述步驟(1-4)中，按照質量比乙醇球物料=1 2 2 3 1 2進行球磨。
全文摘要
本發明公開了一種高性能鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，以通式(1-x)(KaNab)cLid(NbeTafSbg)O3-xBaZrO3表示，其中a、b、c、d、e、f、g為摩爾分數，0.35＜a≤0.6、0.35＜b≤0.6、0.92＜c≤0.99、0＜d≤025、0.74＜e≤0.89、0.1＜f≤0.3、0.01≤g＜0.3；x表示BaZrO3對(KaNab)cLid(NbeTafSbg)O3的摩爾百分比，0≤x≤30％。此外還公開了上述高性能鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的制備方法。本發明顯著提高了陶瓷材料的壓電和介電性能，從而獲得性能優異且穩定的壓電材料，應用中可完全取代傳統的鉛基壓電陶瓷，具有重要的實際意義和社會效益。
文檔編號C04B35/622GK102515760SQ20111037913
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月24日 優先權日2011年11月24日
發明者劉濤, 吳芬, 李月明, 沈宗洋, 洪燕, 王竹梅, 肖祖貴 申請人:景德鎮陶瓷學院