本發明涉及無鉛壓電陶瓷，具體涉及一種高致密度鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷及其制備方法。

背景技術：

1、壓電陶瓷已廣泛應用于制動器、傳感器和換能器等器件中，在各類信息的檢測、轉換、處理和存儲中發揮著重要作用，是高新技術材料重要組成部分。鈣鈦礦型的鋯鈦酸鉛(pzt)壓電陶瓷廣泛應用于各個領域，但其主要成分氧化鉛的環境污染問題促使無鉛壓電陶瓷的研究成為熱點。在無鉛壓電陶瓷中，鈮酸鉀鈉(knn)基無鉛壓電陶瓷以其相對優越的壓電性能和較高居里溫度倍受關注。隨著相工程、織構工程等改性工作的不斷深入，knn基無鉛壓電陶瓷的壓電常數(d33)已經超過700pc/n，在多領域具有巨大的應用潛力。

2、knn的性能與其致密度密切相關。致密度不僅影響材料的微觀結構和電學性能，還直接影響其力學強度和熱穩定性。在制備knn陶瓷的過程中，合理控制致密度對于獲得優異的壓電性能至關重要。研究表明，適當的致密度可以提高陶瓷的壓電常數(d33)和平面機電耦合系數(kp)，同時降低材料的氣孔率和缺陷，從而改善其性能。通過添加fe2o3、zro2、mno2、al2o3、mgo等助燒劑來提高knn基壓電陶瓷的燒結性能以及電學性能已經做了大量的研究所工作：如公開號為cn116715522a的中國專利公開了在鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷引入特定比例的fe3+，使fe3+與氧空位配合形成具有缺陷偶極子的鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷，能夠使鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷具有較高的居里溫度，具有良好的溫度穩定性；同時，壓電陶瓷具有較大的壓電耦合常數kp和機械品質因數qm，且其能夠作為助燒劑，降低普通燒結的溫度，提高陶瓷的致密度。以及公開號為cn110835266a的中國專利公開了一種鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷，通式為k0.48na0.52sb0.10nb0.90-xmno2，0.2≤x≤0.8，x為質量分數；通過添加特定用量的氧化錳作為燒結助劑，有效地降低了na2o和k2o在燒結過程中的揮發量，使制備得到的鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷具有良好的致密性。

3、目前，顯著提升knn基陶瓷致密度的方法如熱壓燒結、放電等離子燒結等存在成本高、操作復雜等缺點，可見，knn基陶瓷的制備方法還需要進一步改善，以期通過簡單有效的方法提升致密度及壓電性能，進一步優化器件性能。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種高致密度鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷及其制備方法，通過摻雜氧化硼，可以較好地提升knn壓電陶瓷的致密度，鐵電性能和壓電性能也得到較大的提高。

2、本發明提供如下技術方案：

3、一種高致密度鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷，所述鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷為k0.48na0.52nbo3-xb2o3wt％，其中x＝0.1-0.8。

4、所述鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷為k0.48na0.52nbo3-xb2o3wt％，其中x＝0.3-0.8。可以更有效的提升knn壓電陶瓷的致密度。

5、所述鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷的致密度為4.29-4.43g/cm3.

6、所述鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷的最大極化強度為28.8-35μc/cm2，剩余極化強度為21.7-28.5μc/cm2，壓電常數d33為108-118pc/n。

7、一種上述高致密度鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

8、(1)將na2co3、k2co3、b2o3和nb2o5粉末按化學計量比的組成配料；

9、(2)將配料放入球磨罐中，在氧化鋯球和酒精作用下球磨；

10、(3)將球磨后的漿料干燥后過篩，煅燒得到鈮酸鉀鈉基陶瓷預燒粉；

11、(4)按照步驟(2)和(3)的方式將預燒粉球磨過篩，加入粘結劑后再次過篩；

12、(5)將步驟(4)過篩后的粉料預壓成圓片后定型；

13、(6)將成型后的圓片煅燒除去粘結劑，再加熱燒結成瓷，得到鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷片；

14、(7)將制得的陶瓷片減薄至一定厚度，濺射金電極，并施加電壓進行極化。

15、作為優選，在步驟(6)中，燒除粘結劑后，以5℃/min升溫至900℃，再以2℃/min升溫至1090-1120℃燒結成瓷。

16、作為優選，在步驟(7)中，燒除粘結劑后，將燒結陶瓷厚度減薄至0.25-0.35mm，噴金后在電場下極化。

17、具體地，使用離子濺射儀正反表面噴金120秒，在30kv/cm的電場下極化30分鐘。

18、作為優選，所述制備方法包括：

19、(1)將na2co3、k2co3、b2o3和nb2o5粉末在80℃的烘箱內放置48小時，將干燥后的分析純na2co3、k2co3、b2o3和nb2o5粉末按化學計量比(k0.48na0.52nbo3-xb2o3wt％)的組成配料，其中x＝0.1-0.8；

20、(2)將配料放入球磨罐中，按氧化鋯球：步驟(1)配好的料：酒精為2：2：1的比例混料球磨，球磨轉速為300r/min，球磨時間為12小時；

21、(3)將球磨后漿料倒入搪瓷托盤內室溫干燥，將干燥后粉料用100-150目尼龍篩過篩，然后在馬弗爐中750-900℃下煅燒5h得到鈮酸鉀鈉基陶瓷預燒粉；

22、(4)將預燒粉再次按照步驟(2)和步驟(3)的方式球磨過篩，向過篩后粉末加入8-12wt％的pva粘結劑，用100目尼龍篩過篩；

23、(5)將過篩后的粉料預壓成直徑為10mm，厚度為1-1.2mm的圓片，然后在150-250mpa的壓力下保壓2分鐘成型；

24、(6)將成型后的圓片在600-650℃下保溫2小時燒除pva粘結劑，在1090-1120℃下保溫6小時，燒結成瓷，然后隨爐冷卻到室溫，得到鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷片；

25、(7)將制得的陶瓷片減薄至一定厚度，濺射金電極，并施加電壓進行極化。

26、本發明通過調控制備過程中各個步驟的工藝參數，來進一步提升其致密度。

27、作為優選，在步驟(6)中，以5℃/min升溫至900℃，再以2℃/min升溫至1090-1120℃燒結成瓷。更為優選地，升溫至1090-1100℃燒結成瓷，所制備的鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷的致密度最高。

28、與現有技術相比，本發明具有以下優異效果：

29、本發明通過在knn壓電陶瓷中摻雜改變氧化硼，可以較好地提升其致密度，鐵電性能和壓電性能也得到較大的提高：相對于不摻雜的knn壓電陶瓷，通過摻雜氧化硼，最優可達到將knn基陶瓷致密度從4.23g/cm3提升至4.43g/cm3(相較于純的鈮酸鉀鈉陶瓷提升4.7％)；最大極化強度從27.8μc/cm2提升至35μc/cm2；剩余極化強度從20.7μc/cm2提升至28.5μc/cm2，壓電常數d33達到118pc/n(相較于純的鈮酸鉀鈉陶瓷提升15.7％)，并將最優燒結溫度從1120℃降低至1100℃。

30、本發明提供的制備方法能夠簡單高效提升鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷致密度，且制備得到的鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷不含鉛元素，屬于環境友好型材料。