本发明属于压电应用领域，涉及一种提高(Na,K)NbO3(NKN)基无铅压电陶瓷稳定性及压电性能的材料后处理方法。
背景技术：
：高性能压电陶瓷在压电驱动器、换能器、信息等高科技领域有着重要应用。目前商业化应用的锆钛酸铅(PZT)基压电陶瓷中含有大量的有毒元素铅，对人类健康和环境产生严重危害。因此，开发高压电性、环境友好型无铅压电陶瓷来取代PZT基含铅压电陶瓷具有重要的社会和经济意义。在(Na,K)NbO3，(Bi,Na)TiO3和BaTiO3三大类最有前景的无铅压电陶瓷中，NaNbO3-KNbO3((Na,K)NbO3，NKN)体系具有高居里温度和较好的压电性能，适合在压电换能器领域应用。对于NKN基无铅压电陶瓷来说，通过添加烧结助剂、掺杂“第二组元”、开发新的烧结技术，以提高NKN基陶瓷的致密度从而改善压电性能是目前研究的重要课题。除此之外，困扰NKN基无铅压电陶瓷应用的另一个关键问题是其压电性能的劣化问题。众所周知，压电陶瓷需要施加直流电场进行极化才能呈现压电性能。对于PZT基含铅压电陶瓷来说，不需要额外的材料后处理，只要在室温或一定温度、施加一定的直流电场极化一定的时间(取决于材料组成)，即可获得稳定的压电性能。然而，对于NKN基无铅压电陶瓷来说，由于陶瓷烧结过程中碱金属离子Na、K的挥发产生大量氧空位，导致传统的直流电场极化工艺难以充分极化、且压电性能容易劣化。本发明的目的在于探索新的材料后处理工艺、结合现有的直流电场极化工艺，以提高NKN基无铅压电陶瓷的稳定性并改善压电性能。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是：克服现有技术中传统的直流电场极化工艺难以充分极化NKN基无铅压电陶瓷、且极化后的NKN基无铅压电陶瓷压电性能容易劣化的技术问题。为解决上述技术问题，本发明提供了一种提高NKN基无铅压电陶瓷稳定性及压电性能的材料后处理方法，该方法通过交流电场极化、氧气氛下热处理和加应力热处理并场冷对NKN基无铅压电陶瓷进行材料后处理，以实现提高NKN基无铅压电陶瓷的稳定性并改善压电性能的目的。本发明的主要内容包括：提高NKN基无铅压电陶瓷的稳定性并改善压电性能的材料后处理方法包括以下步骤：(1)在中频中等强度交流电场下、对NKN基陶瓷进行交流电场极化处理，促进氧空位钉扎于晶界和迁移至表面；(2)在中温氧气氛下热处理1-2h，消除氧空位，提高稳定性；(3)在400℃施加10MPa压应力热处理1h，随后，施加1kV/mm直流电场、以2-4℃/min冷却至室温，改善极化性能；(4)将预处理之后的NKN基无铅压电陶瓷，采用传统的直流电场极化工艺对NKN基陶瓷进行直流电场极化。步骤(1)所述的中频指1-100kHz，优选为10-20kHz；所述的中等强度电场指1.5-2.5kV/mm。步骤(1)所述交流电场极化处理时间为15-30min。步骤(2)所述的中温指550-600℃；所述的氧气氛指热处理设备内纯氧压力维持0.1-0.11MPa。所述NKN基无铅压电陶瓷指NKN-CT和NKN-LS陶瓷，也适用于其他NKN基无铅压电陶瓷。本发明的有益效果：本发明通过采用中频中等强度交流电场进行交流电场极化处理、中温氧气氛下热处理和加应力热处理并场冷对NKN基无铅压电陶瓷进行材料后处理，消除了材料中的氧空位、实现了电荷平衡，解决了NKN基陶瓷烧结过程中碱金属离子Na、K的挥发产生大量氧空位，导致该材料难以充分极化、且压电性能有明显衰减的技术问题，然后再采用传统的直流电场极化工艺进行极化，可以明显改善NKN基无铅压电陶瓷的压电性能(提高10-20％)，且该后处理方法提高了NKN基无铅压电陶瓷的稳定性(压电性能3个月无明显劣化)，有望解决NKN基无铅压电陶瓷稳定性差的问题。为了对本发明作更详细的描述，现结合实施例与附图简介如下：附图说明图1固相反应法制备的NKN-CT无铅压电陶瓷经本发明材料后处理方法处理后的稳定性具体实施方式实施例1：参照(方必军等，掺杂对(Na1/2K1/2)NbO3-CaTiO3无铅陶瓷烧结温度和电学性能的影响，硅酸盐学报，2010，38(3)：374-380)的制备方法将固相反应法制备的0.95NKN-0.05CT无铅压电陶瓷在20kHz、2.0kV/mm电场下进行交流电场极化处理15min；随后，在热处理设备内维持纯氧压力0.1-0.11MPa、在550℃热处理2h；最后，施加10MPa压应力、在400℃热处理1h，施加1kV/mm直流电场、以2-4℃/min冷却至室温；通过对0.95NKN-0.05CT无铅压电陶瓷进行材料后处理，然后再采用文献报道的条件进行直流电场极化，直流电场可以增加到5kV/mm。实施例2：参照(NaJiang,etal.,EffectsofthesecondcomponentonthestructureandelectricalpropertiesofNa1/2K1/2NbO3-basedlead-freepiezoelectricceramics,Ferroelectrics,2011,413(1):73-83)的制备方法将固相反应法制备的0.95NKN-0.05LS无铅压电陶瓷在10kHz、1.5kV/mm电场下进行交流电场极化处理30min；随后，在热处理设备内维持纯氧压力0.1-0.11MPa、在600℃热处理1h；最后，施加10MPa压应力、在400℃热处理1h，施加1kV/mm直流电场、以2-4℃/min冷却至室温；通过对0.95NKN-0.05LS无铅压电陶瓷进行材料后处理，然后再采用文献报道的条件进行直流电场极化，直流电场可以增加到3kV/mm。图1给出了固相反应法制备的NKN-CT无铅压电陶瓷经本发明材料后处理方法处理后的稳定性曲线。可以看出，本发明提出的材料后处理方法，因为消除了NKN基陶瓷中的氧空位，所以NKN-CT陶瓷压电性能的稳定性明显提高，在3个月内，压电性能没有明显变化，能够解决NKN基无铅压电陶瓷稳定性差的问题。表1给出了固相反应法制备的NKN-CT和NKN-LS无铅压电陶瓷没有经过材料后处理和本发明经过材料后处理的压电性能比较。可以看出，通过采用本发明提出的材料后处理方法对NKN基无铅压电陶瓷进行预处理，再采用传统的直流电场极化工艺对NKN基陶瓷进行直流电场极化，因为可以施加更大的直流电场进行极化，压电性能提高了10-20％。Kp是指：径向振动机电耦合系数d33是指：压电应变常数Δd33是指：压电应变常数的增加ΔKp是指：机电耦合系数的增加表1固相反应法制备的NKN-CT和NKN-LS无铅压电陶瓷没有经过材料后处理和本发明经过材料后处理的压电性能比较对比实施例1将参照实施例1中固相反应法制备的0.95NKN-0.05CT无铅压电陶瓷在200Hz、500V/mm电场下进行交流电场极化处理15min；随后，在热处理设备内维持纯氧压力0.1-0.11MPa、在550℃热处理2h；最后，施加10MPa压应力、在400℃热处理1h，施加1kV/mm直流电场、以2-4℃/min冷却至室温；通过对0.95NKN-0.05CT无铅压电陶瓷进行材料后处理，然后再采用文献报道的条件进行直流电场极化，直流电场可以增加到5kV/mm。对比实施例2将参照实施例1中固相反应法制备的0.95NKN-0.05CT无铅压电陶瓷在20kHz、2.0kV/mm电场下进行交流电场极化处理15min；然后，施加10MPa压应力、在400℃热处理1h，施加1kV/mm直流电场、以2-4℃/min冷却至室温；通过对0.95NKN-0.05CT无铅压电陶瓷进行材料后处理，然后再采用文献报道的条件进行直流电场极化，直流电场可以增加到5kV/mm。表2NKN-CT无铅压电陶瓷经不同条件材料后处理的压电性能比较d33(pC/N)Kp实施例11380.25对比实施例11180.23对比实施例21160.22当前第1页1 2 3