专利名称：锆钛酸钡-铌酸钾钠基压电陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高压电性能的锆钛酸钡-铌酸钾钠基压电陶瓷及其制备方法，属 于电子陶瓷领域。
背景技术：
压电陶瓷在外加电场作用下可以产生应变，同时，在外力作用下，压电陶瓷会在两 极产生电荷，因此被广泛的应用于换能器、微位移器、传感器、谐振器及滤波器等领域。JC "Shoufu Shao, Jialiang Zhang, Zong Zhang, Peng Zheng, Minglei Zhao, Jichao Li and Chunlei Wang, High piezoelectric propert ies and domain configuration in BaTiO3 ceramics obtained through the solid-state reaction route, J. Phys. D =Appl. Phys. 41 (2008) 125408”采用传统的固相合成方法制备了高性能的 无铅压电陶瓷，使钛酸钡的压电性能得到了大大的提高。然而他们的烧结工艺却非常复杂， 高性能的钛酸钡陶瓷必须在较窄的温度范围内烧成，严重的制约了其大批量的生产以及产 品的工艺稳定性。而目前通用的解决方案是加入其他钙钛矿成分来调节其压电性能和工艺 性能。
发明内容
为了克服现有技术中高性能钛酸钡陶瓷工艺性能差等问题，本发明的目的是提供 一种高压电性能的锆钛酸钡铌酸钾钠基压电陶瓷及制备方法，采用铌酸钾钠、锆酸钡与钛 酸钡复合形成固溶体，使其压电性能和工艺性能都得到了大大的提高。本发明的技术方案是锆钛酸钡-铌酸钾钠基压电陶瓷的化学组成通式为(1-x-y) K。5Na。5Nb03-xBaTi03-yBaZr03，其中0 < χ < 0. 5,0 < y < 0. 5, χ、y 均为摩尔分数。具体制备方法为(1)将碳酸钡、碳酸钾、碳酸钠、二氧化钛、二氧化锆、五氧化二铌，按化学计量比为 (l-x-y)K。5Na。5Nb03-xBaTi03-yBaZr03 配料，其中0 < χ < 0. 5，O < y < 0. 5 ；(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4 14小时，转速为200 450
转/分钟；(3)将步骤⑵混合好的原料压块，在800 1200°C温度下预烧1 3小时，取出 煅烧的料研碎，再次球磨，球的材质、球/料比、球磨时间和转速同步骤(2)，然后粉体过40 目筛子；(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5 10%的聚乙烯醇粘合剂，经球磨0. 5 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 米的锆钛酸钡_铌酸钾钠粉体颗粒；
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(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40 80°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 1400°C，保温1 8小时，然后随炉冷却，制得致密瓷片；(8)将步骤(7)制得的瓷片被银后浸入25 85°C硅油中极化10 60分钟，极化 电场为0. 1 4kV/mm。本发明的有益效果是由于采用了铌酸钾钠、锆酸钡与钛酸钡复合形成固溶体，减 少了制备工艺对压电性能的影响，并形成了一个三方-四方相界。在相界附近，压电性能得 到了大大的增强，同时该方法也能有效的降低压电陶瓷的矫顽场，使极化工艺简单易行。本 发明可制备不同压电、介电性能的无铅压电陶瓷，从而满足不同领域的使用需求；该压电陶 瓷成分简单，成本低廉，工艺流程简单，重复性好，设备要求低，使得生产成本低廉，适合大 规模、批量化生产。本发明所得到的电学参数为，压电常数d33为200 550pC/N，平面耦合 机电系数&为0. 15 0. 65，品质因数^为110 1400，厚度机电耦合系数kt为0. 20 0. 86。
图 1 为本发明 0. 74K0.5Na0.5Nb03-0. 13BaTi03_0. 13BaZr0s 陶瓷的 X 射线图谱。图 2 为本发明 0. 75K0.5Na0.5Nb03-0. 15BaTi03_0. IOBaZrO3 陶瓷的扫描电镜图片。图 3 为本发明 0. 74K0.5Na0.5Nb03-0. 18BaTi03_0. 08BaZr03 陶瓷的扫描电镜图片。
具体实施例方式实施例1 用分析纯级质量百分比含量为99. 9 %的碳酸钡、质量百分比含量为99. 8 %的碳 酸钠、质量百分比含量为99.0%的碳酸钾、质量百分比含量为99.0%的二氧化钛、质量百 分比含量为99. 0%的二氧化锆、质量百分比含量99. 5%的五氧化二铌，按化学计量比为0. 74K0.5Na0.5Nb03-0. 13BaTi03-0. 13Ba&03进行称量配料。将配好的料放入球磨机中按氧化锆 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6小时，转速为400 转/分钟，混合好的料压块在900°C温度下预烧2小时，取出煅烧的料研碎，再球磨6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时为30°C /h，500 800°C时为100°C /h，并分别 在2701、3601、5001及8001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1250°C烧结2小时，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 方法得到的锆钛酸钡铌酸钾钠陶瓷压电常数d33为320pC/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。图1给出了 0. 74K0.5Na0.5Nb03-0· 13BaTi O3-O. 13BaZr0s陶瓷的X射线图谱。实施例2 用分析纯级质量百分比含量为99. 9 %的碳酸钡、质量百分比含量为99. 8 %的碳 酸钠、质量百分比含量为99.0%的碳酸钾、质量百分比含量为99.0%的二氧化钛、质量百 分比含量为99. 0%的二氧化锆、质量百分比含量99. 5%的五氧化二铌，按化学计量比为0. 75K0.5Na0.5Nb03-0. 15BaTi03_0. IOBa^O3进行称量配料。将配好的料放入球磨机中按氧化锆 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6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6 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30%的纯净水、质量比 1. 的聚丙烯酸氨分散剂和质量比9%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80°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60°C /h，500 800°C时为100°C /h，并 分别在2701、3601、5001及8001保温3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1300°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。采用该方法得到的锆钛 酸钡钙陶瓷压电常数d33为473pC/N，平面耦合机电系数kp为0. 61，品质因数Qm为558，厚 度机电耦合系数 kt 为 0. 77。图 2 给出 7 0. 75K0.5Na0.5Nb03-0. 15BaTi03_0. IOBaZrO3 陶瓷的 扫描电镜图片。实施例3 用分析纯级质量百分比含量为99. 9 %的碳酸钡、质量百分比含量为99. 8 %的碳 酸钠、质量百分比含量为99.0%的碳酸钾、质量百分比含量为99.0%的二氧化钛、质量百 分比含量为99. 0%的二氧化锆、质量百分比含量99. 5%的五氧化二铌，按化学计量比为0. 74K0.5Na0.5Nb03-0. 18BaTi03-0 . 08Ba&03进行称量配料。将配好的料放入球磨机中按氧化锆 球料质量比为8 1的比例混料，混料过程中不加入其他介质。球磨的时间为5小时，转 速为450转/分钟，混合好的料压块在1150°C温度下预烧2小时，取出煅烧的料研碎，再球 磨5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6%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2701、3601、5001及8001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 方法得到的锆钛酸钡钙陶瓷压电常数d33为282pC/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 3 给出了 0. 74K0.5Na0.5Nb03-0. 18BaTi03_0. 0SBaZrO3陶瓷的扫描电镜图片。
权利要求
一种锆钛酸钡-铌酸钾钠基压电陶瓷，其特征在于其化学组成通式为(1-x-y)K0.5Na0.5NbO3-xBaTiO3-yBaZrO3，其中0＜x＜0.5，0＜y＜0.5，x、y均为摩尔分数。
2.如权利要求1所述的锆钛酸钡-铌酸钾钠基压电陶瓷的制备方法，其特征在于制备 方法为(1)将碳酸钡、碳酸钾、碳酸钠、二氧化钛、二氧化锆、五氧化二铌，按化学计量比为 (l-x-y)K。5Na。5Nb03-xBaTi03-yBaZr03 配料，其中0 < χ < 0. 5，0 < y < 0. 5 ；(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4 14小时，转速为200 450转/ 分钟；(3)将步骤⑵混合好的原料压块，在800 1200°C温度下预烧1 3小时，取出煅烧 的料研碎，再次球磨，球的材质、球/料比、球磨时间和转速同步骤(2)，然后粉体过40目筛 子；(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5 10%的聚乙烯醇粘合剂，经球磨0. 5 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 锆钛酸钡_铌酸钾钠粉体颗粒；(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40 80°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 1400°C，保温1 8小时，然后随炉冷却，制得致密瓷片；(8)将步骤(7)制得的瓷片被银后浸入25 85°C硅油中极化10 60分钟，极化电场 为 0. 1 4kV/mm。
全文摘要
本发明公开了锆钛酸钡-铌酸钾钠基压电陶瓷及其制备方法。其化学组成通式为(1-x-y)BaTiO3-xCaTiO3-yBaZrO3，其中0＜x＜0.5，0＜y＜0.5；x、y均为摩尔分数。将碳酸钡、碳酸钙、二氧化钛、二氧化锆，按化学计量比(1-x-y)BaTiO3-xCaTiO3-yBaZrO3(0＜x＜0.5，0＜y＜0.5；x、y均为摩尔分数)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锆钛酸钡钙基压电陶瓷。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钛酸钡体系的无铅压电陶瓷达到了实用化水平。
文档编号C04B35/495GK101885607SQ20101022338
公开日2010年11月17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