高压电常数铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾无铅压电陶瓷及制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种高压电常数的铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷及其制备方法，属于钙钛矿结构环境协调性压电陶瓷领域。该方法采用传统固相烧结法制备通式为(1-x)(K1-yNay)(Nb1-zSbz)O3+xBi0.5(Na1-uKu)0.5ZrO3的无铅压电陶瓷，式中，0≤x≤0.05，0.40≤y≤0.68，0.02≤z≤0.06，0≤u≤1；本发明的无铅压电陶瓷其d33可高达470pC/N，kp可达47％，Tc高达313℃。由该陶瓷制备的器件可在高温下工作，在高温电子设备中具有实际应用价值；该陶瓷由于不含价格昂贵的钽元素，所用原料价格低廉，节约成本。
【专利说明】高压电常数铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾无铅压电陶瓷及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无铅压电陶瓷，特别涉及一种高压电常数的铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷及其制备方法，属于钙钛矿结构环境协调性压电陶瓷领域。
【背景技术】
[0002]高性能压电陶瓷是具有重要且广泛应用的、国际竞争极为激烈的高技术新材料；这类材料与国家经济社会发展、国家安全、人们生活质量密切相关。高性能压电陶瓷已被广泛地应用于频率控制器件、换能器、传感器以及制动器等电子器件中。它在光电子技术、信息技术、精密控制技术、无损检测技术等与国民经济和国家安全相关的高新科技领域具有举足轻重的地位和作用。上世纪50年代发展起来的锆钛酸铅(PbZri_xTix03、PZT)基陶瓷因其优异的压电特性，如压电常数d33高达450-750pC/N和平面机电耦合系数kp高达50_70%，已广泛应用于国民经济、国防和国家安全的各个方面。PZT陶瓷在全世界铁电压电材料市场中占据绝大部分份额，然而这类压电陶瓷中氧化铅的含量约占原料总量的70 %，在其生产、使用及废弃后的处理过程中都会给人类和生态环境造成严重危害。随着人们对自然生存环境关注程度的提高，为了实现经济、社会、环境和资源的协调发展，近十年来，世界各国对无铅压电材料的研究也非常重视，一系列法律法规相继出台。例如,2003年的欧盟已经通过RoHS法令、日本通过“家用电子产品回收法案”、我国于2006年出台的《电子信息产品生产污染防治管理办法》等等。正是这样的国际形势下，一场压电陶瓷无铅化的研发浪潮正席卷全球压电领域。高性能无铅压电陶瓷的研发关系到国家命运和社会可持续发展战略的一件大事。
[0003]近年来，世界各国已投入大量的人力、物力及财力来研究高性能无铅压电材料。从结构上看，无铅压电陶瓷主要分 为以下三类:钨青铜结构、铋层状结构和钙钛矿结构。这三类结构的无铅压电体系都存在各自的优缺点，如钨青铜结构和铋层状结构虽然具有高的居里温度，但是其压电常数低；钙钛矿结构的无铅压电陶瓷虽具有较高的压电性能和高的居里温度，但到目前为止其压电常数还难以超越PZT。碱金属铌酸盐基无铅压电陶瓷以其相对优越的压电性能和较高的居里温度而倍受关注，被认为是最有望取代铅基压电陶瓷的无铅压电陶瓷体系之一。目前，通过在室温构建正交-四方相界区域，碱金属铌酸盐基无铅压电陶瓷的压电常数可提升至200~350PC/N。因此，提升碱金属铌酸盐基无铅压电陶瓷的压电性能的研究成为当前无铅压电陶瓷研究的主旋律。
【发明内容】
[0004]本发明的目的正是在于增强铌酸钠钾(KNN)基无铅压电陶瓷的压电性能，提供一种高压电常数的铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷，以及提供该无铅压电陶瓷的制备方法。该方法采用传统固相烧结法制备的铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷，其压电常数d33可高达470pC/N，平面机电耦合系数kp可达47%，居里温度T。高达313。。。
[0005]为实现本发明目的，本发明采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。
[0006]本发明的基本思路是:通过相结构的设计与优化来实现铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷高压电性能的目的，其具体作法是:添加Bia5 (NanKu)a5 (0≥u≥1)来降低铌锑酸钾钠的正交-四方相变温度到室温附近，即降低在20~40°C左右；添加Zr4+将铌锑酸钾钠的三方-正交相变温度提升至室温附近，即提升至20~40°C左右；同时为了使铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾陶瓷的正交-四方相变温度以及三方-正交相变温度向室温靠近，因此引入Sb ;进而制备出具有三方-四方新型相界结构的铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷，其通式为(1-x) OVyNay) (Nb1zSbz) Ox+xBi0.5 (Na1^uKu) 0.5Zr03O
[0007]本发明所述的一种高压电常数的铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷，由通式(1-x) (VyNay) (NVzSbz) OJxBia5(Na1-UKu)a5ZrO3 表示,式中的 x、y、z、u 表示复合离子中相应元素材料在各组元中所占的原子数，即原子百分比；所有元素的原子数总和应为
I,式中 0 ≥ X ≥ 0.05,0.40 y 0.68,0.02 ≥ z ≥ 0.06,0 ≥ u ≥ 1。
[0008]本发明所述高压电常数的铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷，其晶体构型为钙钛矿结构。
[0009]本发明所述高压电常数的铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷，其压电常数d33可高达470pC/N ;平面机电耦合系数kp可高达47% ;居里温度T。可高达313°C。
[0010]本发明上述任一所述的铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷的制备方法，包括以下工艺步骤:
[0011](I)采用传统固相烧结法制备工艺，以分析纯的碳酸钠(Na2CO3),或碳酸钾(K2CO3),或五氧化二铌(Nb2O5),或三氧化二锑(Sb2O3),或氧化铋(Bi2O3)，或氧化锆(ZrO2)为原料，按照相应体系的(1-x) (VyNay) (NVzSbz)OJxBia5(Na1-UKu)a5ZrO3进行配料，式中
O≥ X ≥ 0.05，0.40 ≥ y ≥0.68，0.02 ≥ z ≥ 0.06，0 ≥ u ≥ 1;
[0012](2)将步骤(1)配制好的原料以无水乙醇作为球磨介质，用滚动球磨20-24小时后烘干得到混合干粉；
[0013](3)将步骤(2)所得混合干粉在800-950°C保温3_6小时预烧；在预烧好的粉料中加入10wt%的聚乙烯醇水溶液造粒；
[0014](4)将步骤(3)造粒后的粉体，利用磨具将其压制成小圆片并排胶，将排胶后的小圆片在1065~1135°C保温1-5小时烧结，得陶瓷片；
[0015](5)将步骤(4)保温烧结后的陶瓷片被上银电极；被上银的陶瓷片在30~150°C的硅油中，应用电场为3-4kV/_电压下极化10-30分钟；
[0016](6)极化完成后，将所述陶瓷片从硅油中取出，即获得高压电常数的铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷样品，将其在空气中静置24小时后，然后采用IEEE标准测量所得该无铅压电陶瓷的电学性能。
[0017]本发明具有以下优点及有益的技术效果:
[0018]1、本发明提供的无铅压电陶瓷具有迄今为止最高的压电性能，其压电常数d33最高可达470pC/N ;平面机电耦合系数kp可达47% ;居里温度T。高达313°C ;其压电常数相比目前在室温构建正交-四方相界区域的碱金属铌酸盐基无铅压电陶瓷的压电常数200~350pC/N 还高。[0019]2、本发明提供的无铅压电陶瓷由于具有较高的居里温度，因而由该陶瓷制备的器件可在较高的温度下工作，因而在高温电子设备中具有实际的应用价值。[0020]3、本发明提供的无铅压电陶瓷由于不含价格昂贵的钽元素，与性能相当的[(KcNad) ^eLie] [NbaSbeTaY]03相比，所用原料价格低廉，因而节约成本，有利于促进实用化进程，在工业生产中应用。
[0021]4、本发明提供的无铅压电陶瓷可以采用工业原料经传统陶瓷制备技术获得，其工艺简单稳定，易于操作。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明实施例1制备的在1=0、0.03、0.04、0.05变化取值时，在7=0.52，
z=0.05, u=0.18 固定取值时的(1-x) K0.48Na0.52 (Nb。.95Sb0.05) O3-XBi0.5 (Na。.82K0.18) 0.5Zr03无铅压电陶瓷在IOOkHz下的相对介电常数ε r随温度的变化曲线；
[0023]图2 是本发明实施例 2 制备的在 y=0.40，0.44，0.48，0.52，0.56，0.60，0.64，
0.68 变化值时，在 χ=(λ 04，z=0.05，u=0.18 固定取值时的(λ 96 (K1^yNay) (Nba95Sbatl5)03+0.04Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5Zr03无铅压电陶瓷的x射线衍射图谱；
[0024]图3是本发明实施例2制备的在y=0.40，0.48，0.56，0.64，0.68变化取值时，在 χ=0.04，z=0.05, u=0.18 固定取值时的 0.96 (K^yNay) (Nba95Sba05)03+0.(MBia5(Naa82Kai8)a5ZrO3X铅压电陶瓷在IOOkHz下的相对介电常数ε ^随温度的变化曲线；
[0025]图4是本发明实施例3制备的在ζ=0.02，0.04，0.05，0.06变化取值时，在χ=0.04，
y=0.52，u=0.18 固定取值时的 0.96 (K0.48Na0.52) (Nb1^zSbz) 03+0.(MBia5(Naa82Kai8)a5ZrO3 无铅压电陶瓷在IOOkHz下的相对介电常数ε r随温度的变化曲线；
[0026]图5是本发明实施例4制备的在u=0，0.18，0.40，0.60，0.80，1.00变化
取值时，在 x=0.04, y=0.52, z=0.05 固定取值时的 0.96 (K0.48Na0.52) (Nba95Sba05)03+0.04Bi0.5 (Na1Ju) 0.5Zr03无铅压电陶瓷在IOOkHz下的相对介电常数ε r随温度的变化曲线。
【具体实施方式】
[0027]下面通过具体实施例对本发明所述铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷作进一步描述，有必要在此指出的是所述实施例只是用于对本发明的进一步说明，但不应理解为是对本发明保护范围的任何限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质性的改进和调整。
[0028]以下实施例中，给出了不同组分的铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷在具体制备工艺条件下所得到的d33、kp、tan δ , ε ^和Τ。等性能参数:
[0029]实施例1
[0030]按照通式(1-x)(IVyNay) (Nb1^zSbz) 03+xBi0.5 (Na1^uKu) 0.5Zr03 表示的铌锑酸钾钠 _ 锆酸铋钠钾二元系钙钛矿型无铅压电陶瓷含量进行配料；
[0031]当x=0, y=0.52, z=0.05, u=0.18 时，
[0032]其配方一为:(K0.48Na0.52)(Nba95Sba05)O3 ；[0033]当χ=0.03，y=0.52，z=0.05，u=0.18 时，
[0034]其配方二为:0.97 (K0 48Na0 52) (Nb。95Sb。。5) 03_0.03Bi。5 (Na。82Κ。18)。5Zr03 ；
[0035]当x=0.04，y=0.52，z=0.05，u=0.18 时，
[0036]其配方三为:0.96 (K。48Na。52) (Nb。95Sb。。5) 03_0.04Bi。5 (Na。82Κ。18)。5Zr03 ；
[0037]当 x=0.05，y=0.52，z=0.05，u=0.18 时，
[0038]其配方四为:0.95 (K0 48Na0 52) (Nb0 95Sb0 05) 03_0.05Bi。5 (Na。82Κ。18)。5Zr03。
[0039]配方一的制备:以分析纯的Na2CO3, K2CO3, Nb2O5和Sb2O3为原料，将各原料按重量百分比准确称量；将称量好的原料以无水乙醇作为球磨介质，用滚动球磨24小时后烘干得到混合干粉；将所得干粉在850°C保温6小时预烧，然后在预烧好的粉料中加入浓度为10wt%的聚乙烯醇水溶液造粒；造粒后用直径为IOmm的磨具在IOMPa的压力下压制成小圆片,其直径为10mm，厚度为1mm，并排胶，将排胶后的小圆片在不同温度下、不同保温时间烧结，得陶瓷片；将烧结后的陶瓷片被上银电极，并在不同温度的硅油中，在4kV/mm电压下极化30分钟。将极化后的陶瓷片在空气中静置24小时后，采用IEEE标准进行电学性能的测试。
[0040]配方二 -四的制备:以分析纯的Na2CO3, K2CO3, Nb2O5, Sb2O3^Bi2O3和ZrO2为原料，分别按照配方二 -四的化学式进行配料；将各原料按重量百分比准确称量；其他制备条件和所用参数与配方一相同。
[0041]本实施例制备的当x=0,0.03，0.04，0.05 为变化取值时，y=0.52，z=0.05，u=0.18为固定取值时的(1-x) (K0.48Na0.52) (Nba95Sbatl5)O3-XBia5(Naa82Kai8)a5ZrO3 无铅压电陶瓷在IOOkHz下的相对介电常数ε r随温度的变化曲线如图1所示。
[0042]本实施例配方一-`四在不同温度下烧结、不同保温时间和不同温度的硅油中极化，以及用IEEE标准测试所得无铅压电陶瓷的电学性能等，见表1所示。
[0043]表1在室温条件下，配方一-四的无铅压电陶瓷的制备参数以及电学性能
[0044]
X 烧结温度保温时间极化Ai度知 I kp tand'εχ Tc
(0C) (小时) (0C) (pC/N) I(IOkHz) (IOkHz) (0C)
O10855150 ISO [ ().2「 0.059 642 313
0.03 10954100 3200.037 2272 249
0.04 1105330470 | 0.47 0.038 2726 227
0.05 1120I30180 | 0:2^ 0.048 3256 186
[0045]实施例2
[0046]按照通式(1-x)(IVyNay) (Nb1^zSbz) 03+xBi0.5 (Na1^uKu) 0.5Zr03 表示的铌锑酸钾钠 _ 锆酸铋钠钾二元系钙钛矿型无铅压电陶瓷含量进行配料；
[0047]当χ=0.04，y=0.40，z=0.05，u=0.18 时，
[0048]其配方一为:0.96 (K0.60Na0.40) (Nb0 95Sb0 05) 03+0.04Bi。5 (Na。82K。18)。5Zr03 ；
[0049]当χ=0.04，y=0.44，z=0.05，u=0.18 时，
[0050]其配方二为:0.96 (K0 56Na0 44) (Nb0 95Sb0 05) 03+0.04Bi。5 (Na。82K。18)。5Zr03 ；
[0051]当 x=0.04，y=0.48，z=0.05，u=0.18 时，[0052]其配方三为:0.96 (K0 52Na0 48) (Nb0 95Sb0 05) 03+0.04Bi。5 (Na。82K。18) ? 5Zr03 ；
[0053]当χ=0.04，y=0.52，z=0.05，u=0.18 时，
[0054]其配方四为:0.96 (K0.48Na0.52) (Nba95Sbatl5)Oj0.(MBia5(Naa82Kai8)a5ZrO3 ；
[0055]当 x=0.04，y=0.56，z=0.05，u=0.18 时，
[0056]其配方五为:0.96 (K。44Na。56) (Nb0 95Sb0 05) 03+0.04Bi。5 (Na。82K。18)。5Zr03 ；
[0057]当 x=0.04，y=0.60，z=0.05，u=0.18 时，
[0058]其配方六为:0.96(K0 40Na0 60) (Nb0 95Sb0 05) 03+0.04Bi。5 (Na。82K。18)。5Zr03 ；
[0059]当 x=0.04，y=0.64，z=0.05，u=0.18 时，
[0060]其配方七为:0.96 (K0 36Na0 64) (Nb0 95Sb0 05) 03+0.04Bi。5 (Na。82K。18) ? 5Zr03 ；
[0061]当 x=0.04，y=0.68，z=0.05，u=0.18 时，
[0062]其配方八为:0.96 (K。32Na。68) (Nb0 95Sb0 05) 03+0.04Bi。5 (Na。82K。18)。5Zr03。
[0063]以分析纯的Na2CO3, K2CO3, Nb2O5, Sb2O3, Bi2O3和ZrO2为原料，分别按照相应配方一-八的化学式进行配料，将各原料按重量百分比准确称量；将称量好的原料以无水乙醇作为球磨介质，用滚动球磨24h后烘干得到干粉，将所得干粉在850°C保温6小时预烧，然后在预烧好的粉料中加入浓度为10?丨％的聚乙烯醇水溶液造粒，造粒后用直径为IOmm的磨具在IOMPa的压力下压制成小圆片，并排胶；将排胶后的小圆片在1105°C保温烧结3小时得陶瓷片，烧结后的陶瓷片被上银电极，并放入30°C的硅油中，在4kV/mm电压下极化30分钟，极化完成后，将所述陶瓷片从硅`油中取出，在空气中静置24小时后，采用IEEE标准进行电学性能的测试，其结果如表2所示。
[0064]本实施例制备的当y=0.40，0.44，0.48，0.52，0.56，0.60，0.64，0.68 为
变化取值时，x=0.04，z=0.05，u=0.18 为固定取值时的 0.96 (K1^yNay) (Nba95Sbatl5)03+0.04Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5Zr03无铅压电陶瓷的x射线衍射图谱如图2所示；本实施例制备的 0.96 (IVyNay) (Nb0.95Sb0.05) 03+0.04Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5Zr03 无铅压电陶瓷在 IOOkHz 下的相对介电常数L随温度的变化曲线如图3所示。
[0065]表2在室温条件下，配方一-八的无铅压电陶瓷的电学性能
【权利要求】
1.一种高压电常数的铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷，其特征在于它由通式(1-X) (IVyNay) (NbhSbz) 03+xBia5 (NanKu)a5ZrO3 表示,式中的 x、y、z、u 表示复合离子中相应元素材料在各组元中所占的原子数，即原子百分比；所有元素的原子数总和应为1，式中 O < X < 0.05,0.40 <y <0.68,0.02 < z < 0.06，O < u < I。
2.根据权利要求1所述高压电常数的铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷，其特征在于其晶体构型为钙钛矿结构。
3.根据权利要求1或2所述高压电常数的铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷，其特征在于该二元系无铅压电陶瓷的压电常数d33高达470pC/N ;平面机电耦合系数kp高达47% ;居里温度T。高达313°C。
4.权利要求1-3任一项所述高压电常数的铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤: (1)采用传统固相烧结法制备工艺，以分析纯的碳酸钠，或碳酸钾，或五氧化二铌，或三氧化二锑，或氧化铋，或氧化锆为原料，按照相应体系的(1-x) OVyNay) (NlvzSbz)03+xBi0.5 (Na1-A) ο.5Zr03 进行配料； (2)将步骤(1)配制好的原料以无水乙醇作为球磨介质，用滚动球磨20-24小时后烘干得到混合干粉； (3)将步骤(2)所得混合干粉在800-950°C保温3_6小时预烧；在预烧好的粉料中加入10wt%的聚乙烯醇水溶液造粒； (4)将步骤(3)造粒后的粉体，利用磨具将其压制成小圆片并排胶；将排胶后的小圆片在1065~1135°C保温1-5小时烧结，得陶瓷片； (5)将步骤(4)烧结后的陶瓷片被上银电极；被上银的陶瓷片在30~150°C的硅油中，应用电场为3-4kV/mm电压下极化10-30分钟； (6)极化完成后，将所述陶瓷片从硅油中取出，即获得高压电常数的铌锑酸钾钠-锆酸铋钠钾二元系无铅压电陶瓷，将其在空气中静置24小时，然后采用IEEE标准测量所得该无铅压电陶瓷的电学性能。
【文档编号】C04B35/622GK103482977SQ201310392216
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月2日 优先权日:2013年9月2日
【发明者】吴家刚, 王晓鹏, 程晓静, 肖定全, 朱建国 申请人:四川大学