专利名称：铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种无铅压电陶瓷，特别涉及一种铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷。还涉及这种铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷的制备方法。
背景技术：
压电陶瓷材料被广泛地应用于通信、家电、航空、探测和计算机等诸多领域，是一种极为重要的功能陶瓷材料。但是现在大规模使用的压电陶瓷为铅基压电陶瓷，即二元系 PbTiO3-PbZrO3和三元系I^TiO3-PbZrO3-ABO3 (ABO3为复合钙钛矿型铁电体)的压电陶瓷。铅基压电陶瓷的原料中PbO或Pb3O4约占总量的70 %，并且PbO或Pb3O4在陶瓷的烧结过程中容易挥发。含铅压电陶瓷在生产，废弃以及回收过程中给自然环境带来了极大的危害。而且此类压电陶瓷的居里温度T。较低，在250°C 380°C之间。一般压电陶瓷的使用温度被限制在居里温度的一半左右。因此它们很难满足在高温下的使用要求。文献“ Jing-Feng Li and Ke Wang, J. Am. Ceram. Soc. 89，706-709 (2006)，，介绍了采用等离子体电火花烧结的Ka5Naa5NbO3无铅压电陶瓷。具体制备方法为将分析纯Nb205、 Na2CO3^K2CO3混合球磨4个小时后，在750°C下煅烧4个小时。然后将煅烧的粉末至于石墨盒中，用等离子烧结四分钟。最终将陶瓷在900°C退火1或4小时。用该种方法烧结的陶瓷压电性能为d33 = 148pC/N，居里温度Τ。为395°C。由此可以看出压电性能仍然较低，居里温度较铅基压电陶瓷没有大幅度提高，而且采用等离子体电火花烧结，所以还达不到工业化的生产和使用的目的。
发明内容
为了克服现有的方法制备的无铅压电陶瓷压电性能低的不足，本发明提供一种铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷。本发明还提供这种铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷的制备方法，通过多组分掺杂改性，采用传统的固相烧结方法，制备出具铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷， 可以提高无铅压电陶瓷的压电性能。本发明解决其技术问题所采用的技术方案一种铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷，其通式是(I-Xi-Z)Kci 5NaaSNbO3-XLiNbO3IBici 5NEici. JiO3-ZBici 5Ktl 5TiO3,式中x 是LiNbO3的摩尔含量，y是Bia5Naa5TiO3的摩尔含量，ζ是Bia5Ka5TiO3的摩尔含量；其数值的选择范围0彡χ彡0. 1，0彡y彡0. 05，0彡ζ彡0. 05。一种上述铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷的制备方法，其特点是包括下述步骤(a)将分析纯恥205、妝20)3、1(20)3、1^20)3、81203、1102按化学计量比为(l-x-y-z)K0 .5Na0.5Nb03-xLiNb03-yBi0.5Na0.5Ti03-z Bi0 5K0 5TiO3 配料，其中0 彡 χ 彡 0· 1，0 彡 y 彡 0· 05， 0 彡 ζ 彡 0. 05 ；(b)将配好的料放入球磨罐中按氧化锆球料酒精为3:1:1的比例混料球磨，球磨时间为8 12小时；(C)将混合好的料烘干后压块，在800 900°C温度下预烧3 5小时，取出煅烧的料打碎，再球磨8 12小时，然后过筛；(d)将过筛后的粉料预压成直径为12 20mm，厚度为1 1. 5mm的圆片，在20 IOOMPa的等静压压力下成型；(e)将成型后的圆片在1085 1160°C下保温2 4小时；烧结成瓷之后，打磨抛光，然后涂敷银浆，在550 80(TC下，保温20 30分钟烧成银电极；(f)陶瓷在120°C硅油中极化20 30分钟，极化电场为3 4kV/mm ；在电场下冷却至室温，即得铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷。本发明的有益效果是由于通过多组分掺杂改性，采用传统的固相烧结方法，制备出具铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷的压电性能显著提高，其介电常数ε 33/ ε ο为 425 780，压电常数d33为80 235pC/N，平面机电耦合系数kp为 40%，机械品质因数^为20 86，居里温度1；在4121 4821之间。压电常数d33由背景技术的148pC/ N提高到162 235pC/N，居里温度T。由背景技术的395°C提高到412°C 482°C。下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
图1是本发明实施例1制备的铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷在不同频率下的介电温谱图。图2是本发明实施例3制备的铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷在不同频率下的介电温谱图。图3是本发明实施例3制备的铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷表面显微形貌照片。图4是本发明实施例5制备的铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷表面显微形貌照片。
具体实施例方式实施例1 以分析纯Nb205、Na2CO3^ K2CO3> Li2C03、Bi203、TiO2为基料，按照化学计量比为 0. 945K0.5Na0 5Nb03-0. 05 LiNbO3-O. 004 Bi0.5Na0 5Ti03-0. OOlBi0.5K0.5Ti03 配比，精确称料。然后将氧化锆球、料和乙醇按照3 1 1的比例放入球磨罐中球磨8小时。将磨好后的料烘干后压成大片，在800°C下预烧5小时。煅烧之后的粉料再球磨8小时，然后过筛。 经过过筛之后的粉料，预压成直径为12mm，厚度为Imm的圆片，然后在20MPa的等静压压力下最终成型。将成型之后的圆片在1085°C下保温2小时。烧结成瓷之后，打磨抛光，然后涂敷银浆，在550°C下，保温30分钟烧成银电极。最后将陶瓷在120°C硅油中极化20分钟，极化电场为3kV/mm，在硅油中冷却至室温，然后取出陶瓷片。压电、介电性能及居里温度详见表1。从图1中可以看出，本实施例制备的铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷居里温度为482°C。表 1.
权利要求
1.一种铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷，其通式是(I-XI-Z)Ka5Naa5NbO3-XL INbO3IBia5Naa5TiO3-ZBia5Ka5TiO3,式中:x 是 LiNbO3 的摩尔含量，y 是 Bia5Naa5TiO3 的摩尔含量，ζ是Bia5Ka5TiO3的摩尔含量；其数值的选择范围0彡χ彡0. 1，0彡y彡0. 05， 0 彡 ζ 彡 0. 05。
2.—种权利要求1所述铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于包括下述步骤(a)将分析纯Nb2O5, Na2C03、K2CO3、Li2CO3、Bi203、TiO2 按化学计量比为(Ι-χ-y-z) K0.5N a0.5Nb03-xLiNb03-yBi0.5Na0.5Ti03-z Bi0 5K0 5TiO3 配料，其中0 彡 χ 彡 0. 1，0 彡 y 彡 0. 05， 0 彡 ζ 彡 0. 05 ；(b)将配好的料放入球磨罐中按氧化锆球料酒精为3 1 1的比例混料球磨，球磨时间为8 12小时；(c)将混合好的料烘干后压块，在800 900°C温度下预烧3 5小时，取出煅烧的料打碎，再球磨8 12小时，然后过筛；(d)将过筛后的粉料预压成直径为12 20mm，厚度为1 1.5mm的圆片，在20 IOOMPa的等静压压力下成型；(e)将成型后的圆片在1085 1160°C下保温2 4小时；烧结成瓷之后，打磨抛光，然后涂敷银浆，在550 80(TC下，保温20 30分钟烧成银电极；(f)陶瓷在120°C硅油中极化20 30分钟，极化电场为3 4kV/mm；在电场下冷却至室温，即得铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷。
全文摘要
本发明公开了一种铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷，还公开了这种铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷的制备方法，用于解决现有的方法制备的无铅压电陶瓷压电性能低的技术问题。技术方案是通过多组分掺杂改性，采用传统的固相烧结方法，制备出具铌酸钾钠锂-钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷的压电性能显著提高，其介电常数ε33/ε0为425～780，压电常数d33为80～235pC/N，平面机电耦合系数kp为24％～40％，机械品质因数Qm为20～86，居里温度Tc在412℃～482℃之间。压电常数d33由背景技术的148pC/N提高到162～235pC/N，居里温度Tc由背景技术的395℃提高到412℃～482℃。
文档编号C04B35/495GK102180670SQ20111004500
公开日2011年9月14日 申请日期2011年2月24日 优先权日2011年2月24日
发明者樊慧庆, 陈雷 申请人:西北工业大学