专利名称：一种提高Ba<sub>0.5</sub>Sr<sub>1.5</sub>Na<sub>0.6</sub>0K<sub>0.4</sub>Nb<sub>5</sub>O<sub>15</sub>陶瓷压电常数的方法
技术领域：
本发明属于Ba。.5Sr^Na。.6K。.4NbA5无铅压电陶瓷的改性领域。具体涉及 一种提高BaQ.5Sri.5NaQ.6K。.4Nb5015陶瓷压电常数的方法。
技术背景压电铁电材料作为功能材料的重要的 一部分，在国民经济发展中具有重 要的作用。压电材料的研究从十九世纪起步，经过一个世纪的发展，己形成 相当大的规模，其应用范围涉及到超声传感器、执行器件、敏感器件、精密 位移控制器件，引燃器以及用于绝大多数电子器上的麦克风和扬声器等。目 前，压电材料的比重己经达到整个电子功能材料的40%左右，全球压电材料销 售额近110亿美元。目前，正在被广泛使用的压电材料主要是以锆钛酸铅 PbTi03-PbZr03 (PZT)为基的多元系含铅材料，此类材料己具有较成熟的制造 工艺和优良的压电性能，因而被大量采用。其中氧化铅(Pb30J占总含量的近 70%左右。而其在500。C时会分解为PbO,而PbO的熔点只有890°C。 PZT的烧 结温度要高于1200°C，甚至接近130(TC，这样导致PZT在高温烧结时不可避 免地会产生铅挥发。铅是一种有毒的元素，在压电陶瓷工业中铅的大量使用 势必造成环境的污染，直接危害人类的健康。但对压电陶瓷工业中存在的严 重的铅污染问题却始终找不到有效的解决方法。并且铅挥发会卩1起材料及相 关器件性能的不稳定，容易产生老化，增加了材料及相关器件的损耗。因此，从根本上解决压电陶瓷工业对环境污染对人体危害的方法，就是研制开发出 性能优良的、不含铅组分的、能与环境协调的"绿色材料"。近十年来，无 铅压电材料的研究成为该领域的热点课题，特别是日本、美国、欧盟等一些 发达国家对这一课题尤其重视。在日本、美国这些电子材料大国，政府在积 极鼓励寻找含铅压电材料的替代者同时己制定政策限制铅系压电材料的发展。欧盟委员会明确规定在2008年以后禁止铅基材料的使用。在我国，尽管 压电材料无铅化的研究开展的较晚，但政府现在也己经意识到保护环境的重 要性。目前，人们正在研究的无铅压电陶瓷体系有BaTi03基无铅压电陶瓷； Bi。.5Na。.5Ti03 (NBT)基无铅压电陶瓷；NaNb03等铌酸盐系无铅压电陶瓷；铋 层状结构无铅压电陶瓷和钨青铜结构无铅压电陶瓷。氧八面体铁电体中有一 部分是以鴒青铜结构存在的，由于此类晶体结构类似四角钨青铜而得名。这 一结构的基本特征是存在着[B06]式氧八面体，其中B以Nb"、 Ta5+为主。其中 锶钾掺杂的钡纳铌酸盐Ba。.5Sr,.5Na。.6K。.4NbAs以其具有大的自发极化强度和横 向压电常数而受到人们的关注，但仅仅通过优化烧结工艺，材料物理性能的 提高是有限的。近年来利用激光对材料进行辐照而达到提高材料物理性能的方法得到了 广泛应用，但还未见有激光辐照技术应用于无铅压电陶瓷的改性领域。发明内容本发明的目的在于提供一种在不改变现有Ba。.sSr,.5Na。.6K。.4NbA5陶瓷制备 工艺条件的前提下，通过激光辐照烧结陶瓷体，从而提高其压电常数的方法。本发明所提供的一种提高Ba。.5SrL5Na。.6K。.4NbA5陶瓷压电常数的方法，关 键在于1)选4奪合适的激光功率密度；2)选择合适的辐照时间。具体步骤 如下1 )采用常规陶资制备工艺，对Ba。.5SrL5Na。,6K。.4NbA5材料进行配料、混合 和预反应；2) 将预反应后的粉料压制成圓片状坯体，再进行烧结，形成致密的圆 片状陶瓷体；3) 用连续C02激光辐照步骤2)所得的圆片状陶瓷体，C02激光功率密 度为764 W/cm2 ,辐照时间为90秒。如图1所示。与未辐照样品相比较，本发明具有以下有益效果1 )本发明在不改变现有制备艺条件下，仅用激光辐照烧结陶瓷体，从而 提高Ba。.5SrL5Na。.6K。.4Nbs(^陶f:压电常数。所获得的陶乾样品的压电常数比未 辐照陶资的压电常数有显著提高，最大提高的幅度(d15)是未辐照陶瓷近 两倍，自发极化强度达到未辐照样品的1.6倍。2 )采用本发明获得的样品的压电常数不但比传统工艺下制备的陶瓷 大而且对样品的处理时间4艮短，整个辐照过程在200秒以内即可完成。3)本发明用激光辐照的方法大大提高了 Ba。.5SrL5Na。.6K。.4NbsOi5陶瓷的压 电常数，改变了单纯依赖改进预烧和烧结的温度及时间的现状，操作简便， 效率高，可重复性强。
图l、本发明激光辐照陶瓷体示意图。以下结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步说明。
具体实施方式
实施例1)将歸5， K2C03， Na2C03， SrC03和BaC。3粉料按摩尔比25:2:3:15:5 配料，经8小时球磨混合后，在1000。C下预烧12小时，得到 Ba。.5S"sNa。.6K。.4NbA5分料；2 )将步骤1)中预烧的粉料球磨8小时，并烘干，将质量浓度为3%的 聚乙晞醇(PVA)胶掺入粉料后(掺入胶的重量为粉料总重量的6 % ),称取约5 ~ 6克重量的粉料，在200兆帕压力下，压制成直径为8mm、厚度为1 ~ 3mm的 圆片状坯体，在1250 ~ 1350°C下烧结1 ~ 3小时，形成直径为7. lmm,高为1 ~ 2mm的致密的圓片状陶资体；3)使用Rofin slab激光器对步骤2)所得圓片状陶资体在764 W/cm2的 激光功率密度下进行90秒的辐照。只十比例为比较辐照对样品压电性能的影响，采用实施例步骤2 )中未经辐照的圆 片状陶资体作为对比例。将实施例和对比例中经辐照和未经辐照的圆片状陶瓷体抛光镀金电极 后，采用IEEE标准的动态谐振-反谐振方法对样品的压电性能进行测试，压 电性能测定结果见表1。激光辐照后样品的压电常数比未经辐照样品的压电常 数有大幅度的提高。这就改善了目前仅仅依靠提升烧结温度或延长预烧和烧 结时间以提高压电常数的状况。而研究表明，在适当的激光功率密度下辐照一段时间的陶乾其微观结构将发生改变。这种改变有利于材料物理性能的提高。样品& (pC/N)& (pC/N)"A (pC/N)未辐照样品19. 6%61. 616. 1%43. 27. 3% -16. 0激光辐照后样品34. 1%12028. 9%69. 08. 1% -19. 7表l. Ba。.5Sr15Na。.6K。.4Nb5015陶瓷的压电性能比较a"-厚度切变振动模式机电耦合系数；厚度切变振动模式压电常数；与电场平行 的纵向振动模式机电耦合系数；与电场平行的纵向振动模式压电常数；横向长度伸 缩振动模式机电耦合系数；A厂横向长度伸缩振动模式压电常数；(pC/N)-压电常数单位，皮库每牛顿)
权利要求
1、一种提高Ba0.5Sr1.5Na0.6K0.4Nb5O15陶瓷压电常数的方法，其特征在于，包括以下步骤1)采用常规陶瓷制备工艺，对Ba0.5Sr1.5Na0.6K0.4Nb5O15材料进行配料、混合和预反应；2)将预反应后的粉料压制成圆片状坯体，再进行烧结，形成致密的圆片状陶瓷体；3)用连续CO2激光辐照步骤2)所得的圆片状陶瓷体，CO2激光功率密度为764W/cm2，辐照时间为90秒。
全文摘要
一种提高Ba<sub>0.5</sub>Sr<sub>1.5</sub>Na<sub>0.6</sub>K<sub>0.4</sub>Nb<sub>5</sub>O<sub>15</sub>陶瓷压电常数的方法属于Ba<sub>0.5</sub>Sr<sub>1.5</sub>Na<sub>0.6</sub>K<sub>0.4</sub>Nb<sub>5</sub>O<sub>15</sub>无铅压电陶瓷的改性领域。本发明方法步骤如下1)对Ba<sub>0.5</sub>Sr<sub>1.5</sub>Na<sub>0.6</sub>K<sub>0.4</sub>Nb<sub>5</sub>O<sub>15</sub>材料进行配料、混合和预反应；2)将预反应后的粉料压制成圆片状坯体，进行烧结，形成致密的圆片状陶瓷体；3)用连续CO<sub>2</sub>激光辐照圆片状陶瓷体，CO<sub>2</sub>激光功率密度为764W/cm<sup>2</sup>，辐照时间为90秒。本发明提高了Ba<sub>0.5</sub>Sr<sub>1.5</sub>Na<sub>0.6</sub>K<sub>0.4</sub>Nb<sub>5</sub>O<sub>15</sub>陶瓷压电常数，改变了单纯依赖改进预烧和烧结的温度及时间的现状，操作简便，效率高，可重复性强。
文档编号C04B35/622GK101239825SQ200810102388
公开日2008年8月13日 申请日期2008年3月21日 优先权日2008年3月21日
发明者季凌飞, 杜新宇, 蒋毅坚 申请人:北京工业大学