专利名称：铌酸钾钠-钛酸铋钠钾压电陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铌酸钾钠-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷及其制备方法，属于电子陶 瓷领域。
背景技术：
铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，具有低密度、高声学速度，机械品质因数及压电常数取 值范围较宽等特点，被认为是最有望取代铅基压电陶瓷的材料。目前多准同型相界复合 技术是提高材料压电性能的有效方法。文献“Atsushi Sasaki, Tatsuya Chiba，Youichi Mamiya and Etsuo Otsuki, Dielectric and Piezoelectric Properties of(Bi0 5Na0 5) TiO3- (Bi0.5K0.5) TiO3 Systems, Jpn. J. App 1. Phys. 38 (1999) pp. 5564-5567”给出 了 Bia 5Na0.5) TiO3-(Bi0.5K0.5)TiO3 的准同型相界。本发明采用 Ka5Naa5NbO3 与 Bi0.5Na0.5)TiO3-(Bi0.5K0.5) TiO3的准同型相界复合技术，以碳酸钾、碳酸钠、五氧化二铌、二氧化钛、三氧化二铋为原 料，用传统的固相反应方法制备铌酸钾钠-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷，方法简单、成本低， 适合于工业化大规模生产与压电元器件的应用。
发明内容
本发明目的在于提供一种铌酸钾钠_钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷及其制备方法。特 别是在铌酸钾钠-钛酸铋钠钾二元体系中，确定准同型相界，获得的不同的压电、介电、机 电耦合特性。使铌酸钾钠-钛酸铋钠钾的固溶体系的压电常数比纯铌酸钾钠提高1至2倍。本发明所述的铌酸钾钠-钛酸铋钠钾压电陶瓷化学组成通式为(I-X)Ka5Naa5NbO ^xBia5(Ka82Naai8)TiO3，其中0 < χ < 0. 20。用固相反应法制备合成压电陶瓷。具体步骤如下(1)将碳酸钾、碳酸钠、二氧化钛、三氧化二铋、五氧化二铌，按化学计量比为 (1-χ)K。.5Na。.5Nb03-XBi。.5 (Ka82Naai8) TiO3 配料，其中0 < χ < 0. 2 ；(2)将步骤(1)配好的料放入球磨机中混料，球/料质量比为2 20，球的材质为 铁球、玛瑙球、氧化锆球和氧化铝球中的一种，球磨的时间为6 14小时，转速为200 450
转/分钟；(3)将步骤⑵混合好的料压块，在900 1300°C温度下预烧1 3小时，取出煅 烧的料研碎，再次球磨，球磨时间和转速同步骤(2)，然后粉体过40目筛，球的材质和球/料 比同步骤(2)；(4)将步骤(3)得到的粉体加入其质量比10-45%的纯净水、质量比0. 2 2%的 聚丙烯酸氨分散剂和质量比0. 2 2%的聚乙烯醇粘合剂，经球磨1 3小时混合均勻而成 料浆，球磨速度为50 300转/分钟，采用气流喷雾造粒，得到颗粒直径为0. 01 1毫米 的铌酸钾钠_钛酸铋钠钾粉体颗粒；(5)将步骤(4)制得的粉体颗粒放入压机，在200 900MPa的压力下压制出圆片 或者方片；
(6)将步骤(5)成型的圆片或者方片放入烘箱中120°C烘1 6小时成为素片， 然后将烘干的素片放入炉中排胶，升温速率在25 500°C温度段为30 90°C /h，500 800°C温度段为90 120°C /h，并分别在270°C、36(TC、50(rC及800°C保温1 4小时，随 炉冷却；(7)将步骤(6)得到的素片放入烧结炉中，以2 12°C /分钟的升温速率升至 1100 1500°C，保温1 8小时，然后随炉冷却，制得铌酸钾钠-钛酸铋钠钾压电陶瓷。本发明方法大大的提高了无铅压电陶瓷体系的压电性能、提高了材料的工艺稳定 性，从成分和工艺两方面使铌酸钾钠体系的无铅压电陶瓷达到了实用化水平。
图1 为本发明组分为 0. 97K0.5Na0.5Nb03-0. OSBia5(Ka82Naai8)TiO3 陶瓷的 XRD 谱。图2 为本发明组分为 0. 9IKa5Naa5NbO3-O. OQBia5(Ka82Naai8)TiO3 陶瓷的 SEM 图。
具体实施例方式下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著的优点，本发明决非仅局 限于所述的实施例。实施例1:用传统固相法将碳酸钠、碳酸钾、二氧化钛、三氧化二铋、五氧化二铌按化学计量 比为0. 95K0.5Na0.5Nb03-0. 05Bia 5 (Ka82Naa 18) TiO3配料。原料放入球磨罐中按氧化锆球料质 量比为5 1的比例混料。球磨的时间为12小时，转速为400转/分钟，混合好的料压块 在950°C温度下预烧2小时，取出煅烧的料研碎，再球磨12小时后过40目筛，球磨转速为 400转/分钟；将粉体加入其质量比32%的纯净水、质量比1. 2%的聚丙烯酸氨分散剂和质 量比0. 8%的聚乙烯醇粘合剂，经球磨2小时混合均勻而成料浆，球磨速度为100转/分钟， 采用气流喷雾造粒；粉体颗粒放入压机中，在450MPa压力下得到直径15毫米厚度1. 2毫米 的圆片；放入烘箱中120°C烘10小时成为素片，然后将烘干的素片放入炉中排胶，升温速率 在25 500°C温度段为30°C /h，500 800°C温度段为100°C /h，并分别 270°C、36(TC、 500°C及800°C保温2小时，随炉冷却；排完胶的素片放入烧结炉中，升温速率为5°C /分钟， 在1150°C烧结，而后随炉冷却。烧结完成后取出，涂敷中温银浆，在800°C保温0. 5小时成为 电极，在25°C的硅油中极化10分钟，极化电场为lkV/mm。采用该方法得到的铌酸钾钠-钛 酸铋钠钾陶瓷压电常数d33为280pC/N，平面耦合机电系数kp为0. 54，品质因数Qm为721， 厚度机电耦合系数kt为0. 67。实施例2:用传统固相法将碳酸钠、碳酸钾、二氧化钛、三氧化二铋、五氧化二铌按化学计量 比为0. 97K0.5Na0.5Nb03-0. 03Bi0.5(K0.82Na0.18)Ti03配料。原料放入球磨罐中按氧化锆球料 为10 1的比例混料，混料过程中不加入其他介质。球磨的时间为8小时，转速为350转/ 分钟，混合好的料压块在1000°C温度下预烧2小时，取出煅烧的料研碎，再球磨8小时后过 40目筛，球磨转速为350转/分钟；将粉体加入其质量比20%的纯净水、质量比1.6%的聚 丙烯酸氨分散剂和质量比0. 5%的聚乙烯醇粘合剂，经球磨2小时混合均勻而成料浆，球磨 速度为150转/分钟，采用气流喷雾造粒；粉体颗粒放入压机中，在500MPa压力下得到直径15毫米厚度1. 2毫米的圆片；放入烘箱中120°C烘8小时成为素片，然后将烘干的素片放入 炉中排胶，升温速率在25 500°C温度段为30°C /h，500 800°C温度段为100°C /h，并分 别在270°C、360°C、50(rC及800°C保温1小时，随炉冷却；排完胶的素片放入烧结炉中，升温 速率为10°C /分钟，在1250°C烧结，而后随炉冷却。涂敷中温银浆，在800°C保温0.5小时 成为电极，在25°C的硅油中极化30分钟，极化电场为1.5kV/mm。采用该方法得到的铌酸钾 钠_钛酸铋钠钾陶瓷压电常数d33为373pC/N，平面耦合机电系数kp为0. 64，品质因数Qm为 558，厚度机电耦合系数kt为0. 77。图1给出了钛酸铋钾钠铌酸钾钠陶瓷的XRD图谱。实施例3:用传统固相法将碳酸钠、碳酸钾、二氧化钛、三氧化二铋、五氧化二铌按化学计量 比为0. 85K0.5Na0.5Nb03-0. 15Bi0.5(K0.82Na0.18)Ti03配料。原料放入球磨罐中按氧化锆球料 为15 1的比例混料，混料过程中不加入其他介质。球磨的时间为10小时，转速为450转 /分钟，混合好的料压块在1200°C温度下预烧2小时，取出煅烧的料研碎，再球磨10小时后 过40目筛，球磨转速为450转/分钟；将粉体加入其质量比40%的纯净水、质量比的 聚丙烯酸氨分散剂和质量比1. 5%的聚乙烯醇粘合剂，经球磨2小时混合均勻而成料浆，球 磨速度为80转/分钟，采用气流喷雾造粒；粉体颗粒放入压机中，在350MPa压力下得到直 径15毫米厚度1. 2毫米的圆片；放入烘箱中120°C烘10小时成为素片，然后将烘干的素片 放入炉中排胶，升温速率在25 500°C时为30°C /h，500 800°C时为100°C /h，并分别在 270°C、360°C、50(rC及800°C保温2小时，随炉冷却；排完胶的素片放入烧结炉中，升温速率 为7°C /分钟，在1320°C烧结，而后随炉冷却。烧结完成后取出，涂敷中温银浆，在800°C保 温0. 5小时成为电极，在25°C的硅油中极化20分钟，极化电场为lkV/mm。采用该方法得到 的铌酸钾钠_钛酸铋钠钾陶瓷压电常数d33为182pC/N，平面耦合机电系数kp为0. 48，品质 因数Qm为686，厚度机电耦合系数kt为0. 59。图2给出了钛酸铋钾钠铌酸钾钠陶瓷的扫描 电镜图片。
权利要求
一种铌酸钾钠 钛酸铋钠钾压电陶瓷，其特征在于其化学组成通式为(1 x)K0.5Na0.5NbO3 xBi0.5(K0.82Na0.18)TiO3，其中0＜x＜0.2，x为摩尔分数。
2.如权利要求1所述的铌酸钾钠-钛酸铋钠钾压电陶瓷的制备方法，其特征在于具体 步骤为(1)将碳酸钾、碳酸钠、二氧化钛、三氧化二铋、五氧化二铌，按化学计量比为(I-X)Ka5N a0.5Nb03-xBi0.5(K0.82Na0.18)Ti03 配料，其中0 < χ < 0. 2 ；(2)将步骤(1)配好的料放入球磨机中混料，球/料质量比为2 20，球的材质为铁球、 玛瑙球、氧化锆球和氧化铝球中的一种，球磨的时间为6 14小时，转速为200 450转/ 分钟；(3)将步骤⑵混合好的料压块，在900 1300°C温度下预烧1 3小时，取出煅烧的 料研碎，再次球磨，球磨时间和转速同步骤⑵，然后粉体过40目蹄，球的材质和球/料比同 步骤⑵；(4)将步骤(3)得到的粉体加入其质量比10-45%的纯净水、质量比0.2 2%的聚丙 烯酸氨分散剂和质量比0. 2 2%的聚乙烯醇粘合剂，经球磨1 3小时混合均勻而成料 浆，球磨速度为50 300转/分钟，采用气流喷雾造粒，得到颗粒直径为0. 01 1毫米的 铌酸钾钠_钛酸铋钠钾粉体颗粒；(5)将步骤(4)制得的粉体颗粒放入压机，在200 900MPa的压力下压制出圆片或者 方片；(6)将步骤(5)成型的圆片或者方片放入烘箱中120°C烘1 6小时成为素片，然后将 烘干的素片放入炉中排胶，升温速率在25 500°C温度段为30 90°C /h，500 800°C温 度段为90 120°C /h，并分别在270°C、360°C、50(rC及800°C保温1 4小时，随炉冷却；(7)将步骤(6)得到的素片放入烧结炉中，以2 12°C/分钟的升温速率升至1100 1500°C，保温1 8小时，然后随炉冷却，制得铌酸钾钠-钛酸铋钠钾压电陶瓷。
全文摘要
本发明公开了一种铌酸钾钠-钛酸铋钠钾压电陶瓷及其制备方法。铌酸钾钠-钛酸铋钠钾压电陶瓷的化学组成通式为(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xBi0.5(K0.82Na0.18)TiO3，其中0＜x＜0.2；x为摩尔分数。将碳酸钾、碳酸钠、二氧化钛、五氧化二铌、三氧化二铋，按化学计量比(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xBi0.5(K0.82Na0.18)TiO3(0＜x＜0.2；x为摩尔分数)配料，经过球磨、煅烧、二次球磨、造粒、成型、排胶、高温烧结等工序，最终制备具有高压电性能的钛酸铋钾钠铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。本发明方法大大的提高了无铅压电陶瓷体系的压电性能、提高了材料的工艺稳定性，从成分和工艺两方面使铌酸钾钠体系的无铅压电陶瓷达到了实用化水平。
文档编号C04B35/622GK101891474SQ201010223340
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月8日 优先权日2010年7月8日
发明者刘来君, 吴枚霞, 方亮, 杨曌, 胡长征 申请人:桂林理工大学