专利名称：铌钽酸钾钠基压电陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铌钽酸钾钠基压电陶瓷，还涉及铌钽酸钾钠基压电陶瓷的制备方法。
背景技术：
压电陶瓷材料具有化学性质稳定，易于制备且能制得各种形状、尺寸和任意极化方向的产品，能通过掺杂或置换取代改性得到适合不同需要的具有不同特性的陶瓷，并且价格低廉，因而得到广泛应用。
在众多的无铅压电陶瓷当中(KxNa1-x)NbO3基压电陶瓷目前被认为是最有潜在应用前景的压电陶瓷材料。文献“Alkaline-earth doping in(K，Na)NbO3based piezoceramics，Journal ofthe European Ceramic Society 25(2005)2707-2711”中报道了一种利用传统陶瓷的制备方法制备配方为(K0.5Na0.5)1-2yAEyNbO3，AE＝Mg，Ca，Sr，Ba，y＝0.005的压电陶瓷，该材料的介电常数ε约为500，压电常数d33约为100。
文献“(Na0.5K0.5)NbO3-LiTaO3lead-free piezoelectric ceramics，Materials Letters 59(2005)241-244”报道了利用传统陶瓷的制备方法制备配方为(1-x)(Na0.5K0.5)NbO3-xLiTaO3压电陶瓷，该材料的介电常数ε约为600，压电常数d33约为200，机电耦合系数kp达到了0.36。
中国专利CN02128111.4公开了一种利用传统陶瓷制备工艺制备配方为(LixNayK1-x-y)(Nb1-xRx)O3压电陶瓷，该材料的介电常数ε约为500，压电常数d33达到了150，机电耦合系数kp达到了0.27。
上述文献中报道的铌酸盐类压电陶瓷中机械品质因数很低，约为100，机电耦合系数也偏低，使得该体系压电陶瓷材料的普遍应用受到限制。
发明内容
为了克服现有技术铌酸盐类压电陶瓷机械品质因数低、机电耦合系数低的不足，本发明提供一种铌钽酸钾钠基压电陶瓷，通过掺杂Cu2+，Sb5+，Sn4+和Li+金属离子，提高铌酸盐类压电陶瓷的机械品质因数和机电耦合系数。
本发明还提供这种铌钽酸钾钠基压电陶瓷的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种铌钽酸钾钠基压电陶瓷，其原材料为碳酸钾、碳酸钠、氧化铌、氧化钽的基料以及占合成基体量0.2～0.8mol％的Cu2+、Sb5+、Sn4+、Li+离子任一种或者任几种，基料化学计量比为(K1-xNax)(Nb1-yTay)O3，其中，x＝0.1～0.9，y＝0.01～0.30。
一种上述铌钽酸钾钠基压电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括下述步骤1)将基料碳酸钾、碳酸钠、氧化铌、氧化钽按化学计量比(K1-xNax)(Nb1-yTay)O3，其中x＝0.1～0.9，y＝0.01～0.30配料，加入占合成基体0.2～0.8mol％的Cu2+、Sb5+、Sn4+、Li+离子；2)将步骤1)所述原料装入有玛瑙球的球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，球磨12h后合成，合成温度为800～900℃，保温时间为4～10h；3)将步骤2)所制得的熟料二次球磨24h后，冷等静压50～100MPa压力下压成圆片素坯；4)素坯在空气中，1000℃～1200℃的温度下保温2～4h叠片烧结成陶瓷；5)将步骤4)获得的陶瓷精修后550℃烧渗银电极，然后在100～150℃的硅油中施加2～3kV/mm的直流电场极化15～30分钟。
本发明的有益效果是，由于通过在陶瓷烧结过程中掺杂Cu2+，Sb5+，Sn4+或Li+离子任一种或者任几种，提高了铌酸钾钠基压电陶瓷的整体电学性能，机械品质因数由现有技术的约为100提高到979，机电耦合系数从0.36提高到0.41。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1铌钽酸钾钠盐基压电陶瓷掺杂0.4mol％Cu2+的陶瓷表面的显微形貌照片。
图2铌钽酸钾钠盐基压电陶瓷掺杂0.4mol％Cu2+的陶瓷的X射线衍射图谱。
图3铌钽酸钾钠盐基压电陶瓷掺杂0.4mol％Cu2+离子后的陶瓷的谐振曲线。
图4铌钽酸钾钠盐基压电陶瓷掺杂0.6mol％Cu2+离子后的陶瓷的谐振曲线具体实施方式
选择碳酸钾、碳酸钠、氧化铌、氧化钽为基料，然后根据配方的需要选择硝酸铜、碳酸锂、氧化锑、氧化锡等的盐作为辅料。先将基料和辅料在200℃的烘箱中干燥4h，然后根据化学计量比(K1-xNax)(Nb1-yTay)O3，其中x＝0.5，0.01＜y＜0.30配料，根据不同配方的需要将占合成基体0.0～0.8mol％的单一Cu2+、Sb5+、Sn4+、Li+或者几种离子复合，直接加入到基体原料中。将配好的基料与辅料一同装入球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，球磨12h，混合均匀后利用一步法合成，保证材料成分的均匀性，合成温度为800～900℃，保温时间为4～10h。所得的熟料二次球磨24h后，冷等静压50～100MPa压力下压成直径约为15mm，厚度约为1.5mm的圆片素坯，素坯在空气中，1000～1200℃的温度下保温2～4h叠片烧成陶瓷。将获得的陶瓷精修后550℃烧渗银电极，然后在100～150℃的硅油中施加2～3kV/mm的直流电场极化15～30分钟，放置一昼夜后测量电学性能。
实施例1，称量碳酸钾3.9200克，碳酸钠3.0086克，氧化铌14.3208克，氧化钽1.2531克作为基料，称量三水硝酸铜0.1098克作为辅料，然后将配好的基料与辅料一同装入球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，球磨12h混合，混合均匀后利用一步法合成，保证材料成分的均匀性，合成温度为800℃，保温时间为10h。所得的熟料二次球磨24h后，冷等静压100MPa压力下压成直径约为15mm，厚度约为1.5mm的圆片素坯，素坯在空气中，1200℃的温度下保温2h叠片烧成陶瓷。将获得的陶瓷精修后550℃烧渗银电极，然后在100℃的硅油中施加2kV/mm的直流电场极化15分钟，放置一昼夜后测量电学性能。制备好的陶瓷电学性能参数如下
从图1中可以看到，得到的陶瓷均匀致密，平均晶粒尺寸为2.0μm。从图2中可以看到，得到了纯的钙钛矿相结构的陶瓷。金属离子的加入同时也带来了陶瓷性能的进一步改善，通过从上面表格的测试数据可以看出该陶瓷的Qm增加到800左右，kp增加到0.3以上。这些数据与我们原来没有添加金属离子的(K1-xNax)(Nb1-yTay)O3陶瓷及其(K0.5Na0.5)1-2yAEyNbO3体系陶瓷的电学性能大大增加，原来的Qm约为100，kp小于0.2。从图3陶瓷样品的谐振曲线图中也可看出，该配方的陶瓷的谐振曲线光滑无杂波，在谐振点处阻抗小于30Ω，带宽大约为20kHz，性能稳定。
实施例2，称量碳酸钾3.9203克，碳酸钠3.0070克，氧化铌14.3203克，氧化钽1.2530克作为基料，然后称量三水硝酸铜0.0548克，将配好的基料与辅料一同装入球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，混合12h，混合均匀后利用一步法合成，保证材料成分的均匀性，合成温度为850℃，保温时间为7h。所得的熟料二次球磨24h后，冷等静压80MPa压力下压成直径约为15mm，厚度约为1.5mm的圆片素坯，素坯在空气中，1100℃的温度下保温3h叠片烧成陶瓷。将获得的陶瓷精修后550℃烧渗银电极，然后在130℃的硅油中施加3kV/mm的直流电场极化20分钟，放置一昼夜后测量电学性能。其各种电学性能参数如下表所示
实施例3，称量碳酸钾3.9205克，碳酸钠3.0075克，氧化铌14.3206克，氧化钽1.2533克作为基料，然后称量三水硝酸铜0.1661克，将配好的基料与辅料一同装入球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，球磨12h，混合均匀后利用一步法合成，保证材料成分的均匀性，合成温度为900℃，保温时间为4h。所得的熟料二次球磨24h后，冷等静压50MPa压力下压成直径约为15mm，厚度约为1.5mm的圆片素坯，素坯在空气中，1000℃的温度下保温4h叠片烧成陶瓷。将获得的陶瓷精修后550℃烧渗银电极，然后在150℃的硅油中施加3kV/mm的直流电场极化30分钟，放置一昼夜后测量电学性能。制备出的陶瓷的电学性能参数如下表所示
实施例4，称量碳酸钾6.1427克，碳酸钠5.5230克，氧化铌23.0912克，碳酸锂3.0166克，氧化钽4.4416克，氧化锑1.1779克。850℃保温8小时合成，1100℃保温3小时叠片烧结而成，其他工艺条件均同实施例1，得到了纯的钙钛矿结构，并且较致密。电学性能参数如下表所示
实施例5，称量碳酸钾6.1433克，碳酸钠5.5223克，碳酸锂3.0157克，氧化铌23.0904克，氧化钽4.4416克，氧化锑1.1771克，氧化锡0.0629克。900℃保温10小时合成，1200℃保温4小时烧结，其他工艺条件同实施例1，得到了纯的钙钛矿结构，并且较致密。电学性能参数如下表所示
由以上实施例可以看出，铌钽酸钾钠盐基压电陶瓷掺杂占合成基体0.0～0.8mol％的Cu2+，Sb5+，Sn4+和Li+一种或者共同掺杂几种离子后，铌钽酸钾钠盐基压电陶瓷的材料的综合电学性能得到极大的改善，其中最好的配方电学性能如Qm大于800，kp大于0.38等各项性能指标均能满足工业化的要求。
权利要求
1.一种铌钽酸钾钠基压电陶瓷，其原材料为碳酸钾、碳酸钠、氧化铌、氧化钽的基料以及占基料量0.2～0.8mol％的Cu2+、Sb5+、Sn4+、Li+离子任一种或者任几种，基料化学计量比为(K1-xNax)(Nb1-yTay)O3，其中(x＝0.1～0.9，y＝0.01～0.30)。
2.一种权利要求1所述铌钽酸钾钠基压电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括下述步骤1)将基料碳酸钾、碳酸钠、氧化铌、氧化钽按化学计量比(K1-xNax)(Nb1-yTay)O3，其中，x＝0.1～0.9，y＝0.01～0.30配料，加入占基料量0.2～0.8mol％的Cu2+、Sb5+、Sn4+、Li+离子；2)将步骤1)所述原料装入有玛瑙球的球磨罐中，以无水乙醇为球磨介质，球磨12h后合成，合成温度为800～900℃，保温时间为4～10h；3)将步骤2)所制得的熟料二次球磨24h后，冷等静压50～100MPa压力下压成圆片素坯；4)素坯在空气中，1000℃～1200℃的温度下保温2～4h叠片烧结成陶瓷；5)将步骤4)获得的陶瓷精修后550℃烧渗银电极，然后在100～150℃的硅油中施加2～3kV/mm的直流电场极化15～30分钟。
全文摘要
本发明公开了一种铌钽酸钾钠基压电陶瓷，其原材料为碳酸钾、碳酸钠、氧化铌、氧化钽的基料以及占基料量0.2～0.8mol％的Cu
文档编号C04B35/622GK1884198SQ20061004304
公开日2006年12月27日 申请日期2006年6月27日 优先权日2006年6月27日
发明者樊慧庆, 焦岗成, 刘来君, 王炜 申请人:西北工业大学