专利名称：一种高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明涉及功能陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法。
背景技术：
压电陶瓷是一类重要的功能陶瓷，压电材料及器件具有实现电能与机械能直接转换的功能，其工作原理源自力-电耦合的压电效应，交叉涉及材料、物理、力学等多个学科， 已广泛应用于超声换能、传感器、电子信息、无损检测等技术领域。由于含铅的压电陶瓷其性能优越，因此现有技术一直都是以含铅的锆钛酸铅基压电陶瓷占主导地位。然而，这类陶瓷材料中氧化铅的含量通常高达70%，而铅是一种有毒的物质，铅中毒会严重影响儿童的智力发育，危害人体的神经系统、心脏和呼吸系统。而且，随着铅基压电陶瓷使用的日益增长，在煅烧、烧结、加工、使用以及废弃物的处理过程中，大量的铅以氧化物和锆钛酸盐的形式被释放到环境当中，给人类的生活和自然环境带来了严重的危害。因此，许多国家已将锆钛酸铅基压电陶瓷列为要被安全材料替代的有害物质，且已纳入立法机构。而我国是压电陶瓷的生产大国，面临的形势更加严峻，因此开发无铅压电陶瓷具有重大的社会意义和经济意义。在目前的无铅压电陶瓷体系中，铌酸钾钠基(KNN体系)无铅压电陶瓷由于具有居里温度高、介电常数低、机电耦合系数高等特性，因此是目前研究最为广泛、且最具实用性的无铅压电陶瓷体系。但是，常压烧结获得的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷其性能不高(压电常数d33 = 80pC/N)，因此，现有技术通过调节钾、钠比例，或者采用热压烧结或放电等离子烧结工艺，发展到采用掺杂改性等技术措施，使得陶瓷材料的压电常数有了较大的提高，但仍然无法接近或达到传统铅基压电陶瓷的性能，使得应用受到了很大的限制。此外，现有技术KNN体系无铅压电陶瓷在提高了压电性能的同时，均会出现介电常数偏小、介电损耗较高的问题，使得极化不稳定，综合性能也不稳定，所制备的材料其性能仍然不理想。如何制备具有高压电常数、高介电常数以及低介电损耗的无铅压电陶瓷以获得性能优异且稳定的材料，仍然是KNN体系无铅压电陶瓷急需研究和解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，以显著提高陶瓷材料的压电和介电性能，从而获得性能优异且稳定的压电材料。本发明的另一目的在于提供上述无铅压电陶瓷的制备方法。本发明的目的通过以下技术方案予以实现本发明提供的一种高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，以通式(I-X)(KaNiib) cLid (NbeTafSbg) O3-XBaZrO3 表示,其中 a、b、c、d、e、f、g 为摩尔分数，0. 35 < a 彡 0. 6、0. 35
<b ^ 0. 6、0· 92 < c ^ 0. 99、0 < d ^ 0. 25,0. 74 < e ^ 0. 89,0. 1 < f ^ 0. 3、0· OlSg
<0. 3 ;x 表示 Ba&03 对(KaNab)。Lid(NbeTafSbg) O3 的摩尔百分比，0 彡 χ 彡 30 %，优选 0< χ 彡 30%。进一步地，所述a、b、c、d、e、f、g、χ 分别为 0. 41 < a 彡 0. 58、0. 41 < b 彡 0. 56、 0. 92 < c ^ 0. 99、0 < d ^ 0. 25,0. 74 < e ^ 0. 89,0. 1 < f ^ 0. 3、0. 01 < g < 0. 3、 0. 2 % 彡 χ 彡 30 %。优选地，0· 42 彡 a 彡 0· 56、0· 42 彡 b 彡 0· 56、0· 93 彡 c 彡 0· 99、 0. 01 彡 d 彡 0. 25,0. 75 彡 e 彡 0. 89,0. 11 ^ f ^ 0. 3,0. 01 彡 g 彡 0. 2,0. 2%^ χ 彡 15%。本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现本发明提供的上述高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤(1)制备铌酸钾钠基无铅压电陶瓷预烧坯体(1-1)将K、Na、Li、Ba的碳酸盐，Nb, Sb, Ta, Zr的氧化物按照所述通式称取配料；(1-2)将配好的原料加入以无水乙醇为介质的球磨机中，球磨混料2 48h，烘干后得到混合粉料；(1-3)将混合粉料在空气中，于700 1000°C温度下预烧，保温2 10h，随炉冷却；(1-4)将预烧后的物料以无水乙醇为介质球磨2 48h，烘干造粒，在15 ^MPa 下压制成型得到铌酸钾钠基无铅压电陶瓷预烧坯体；(2)将预烧坯体在空气中烧结，烧结温度为1000 1200°C，保温时间为1. 5 10h，随炉冷却得到陶瓷片；(3)陶瓷片上银极化，极化温度为100 180°C，极化电压为2 7KV/mm，极化时间为20 60min，制得高性能铌酸钾钠无铅压电陶瓷。进一步地，本发明方法所述步骤(1- 中，将混合粉料在10 30MI^压力下压制成型后进行预烧，以利于反应的充分进行，得到的预烧物料为铌酸钾钠基预烧块；所述铌酸钾钠基预烧块磨碎后，进行后续的球磨、烘干造粒。磨碎的粒度以过60 100目筛为宜。进一步地，本发明方法所述步骤(1-4)中，按照质量比乙醇球物料=1 2 2 3 1 2进行球磨。本发明具有以下有益效果本发明KNN基无铅压电陶瓷具有很高的综合性能。不仅大幅度提高了陶瓷材料的压电性能，而且通过添加BaCO3和&02，有效降低了介电损耗并提高了介电常数。而在制备工艺方面，将混合粉料压制成型后再进行预烧，有利于反应的充分进行，可提高极化的稳定性。所制备的铌酸钾钠基压电陶瓷性能优异且稳定，压电常数d33超过^OpC/N、可高达 398pC/N，接近于传统铅基压电陶瓷的压电性能，应用中可完全取代传统的铅基压电陶瓷， 具有重要的实际意义和社会效益。
下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述图1是本发明实施例之一 五、七、八铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备工艺流程图；图2是本发明实施例之六铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备工艺流程图；图3是本发明实施例之二铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的XRD图谱(预烧温度为 850°C，烧结温度为1130°C )。
具体实施例方式本发明铌酸钾钠基无铅压电陶瓷以通式(1-x) (KaNab) cLid(NbeTafSbg) O3-XBaZrO3 表示，其中 a、b、c、d、e、f、g 为摩尔分数，0. 35 < a ^ 0. 6、0· 35 < b 彡 0· 6、0· 92 < c 彡 0. 99、 0 < d 彡 0· 25、0· 74 < e 彡 0· 89、0· 1 < f 彡 0· 3、0· 01 彡 g < 0. 3 ;x 表示 BaZrO3 对(KaNgib) cLid(NbeTafSbg)O3的摩尔百分比，0彡χ彡30%。本发明各实施例铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其通式(1-x) (K3Nab)cLid(NbeTafSbg) O3-XBaZrO3中的配方参数如表1所示。表1各实施例高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷通式中的配方参数
权利要求
1.一种高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其特征在于以通式(1-x) (KaNab) cLid (NbeTafSbg) O3-XBaZrO3 表示，其中 a、b、c、d、e、f、g 为摩尔分数，0. 35 < a 彡 0· 6、0· 35<b ^ 0. 6、0· 92 < c ^ 0. 99、0 < d ^ 0. 25,0. 74 < e ^ 0. 89,0. 1 < f ^ 0. 3、0· OlSg<0. 3 ;χ 表示 Ba&03 对(KaNab)eLid(NbeTiifSbg)O3 的摩尔百分比，0 彡 χ 彡 30%。
2.根据权利要求1所述的高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其特征在于所述χ为0<χ 彡 30%。
3.根据权利要求1或2所述的高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其特征在于所述a、 b、c、d、e、f、g、x 分别为 0. 41 <a^0. 58,0. 41 <b^0. 56,0. 92 < c 彡 0. 99、0<d<0. 25、 0· 74 < e 彡 0· 89,0. 1 < f ^ 0. 3、0· 01 彡 g < 0· 3、0· 2%^ χ 彡 30%。
4.根据权利要求3所述的高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其特征在于所述a、b、c、 d、e、f、g、x 分别为 0. 42 彡 a 彡 0. 56,0. 42 彡 b 彡 0. 56,0. 93 彡 c 彡 0. 99,0. 01 彡 d 彡 0. 25、 0. 75 彡 e 彡 0. 89,0. 11 ^ f ^ 0. 3,0. 01 彡 g 彡 0. 2,0. 2%^ χ 彡 15%。
5.权利要求1-4之一所述高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤(1)制备铌酸钾钠基无铅压电陶瓷预烧坯体(1-1)将K、Na、Li、Ba的碳酸盐，Nb、Sb、Ta、Zr的氧化物按照所述通式称取配料； (1-2)将配好的原料加入以无水乙醇为介质的球磨机中，球磨混料2 48h，烘干后得到混合粉料；(1-3)将混合粉料在空气中，于700 1000°C温度下预烧，保温2 10h，随炉冷却； (1-4)将预烧后的物料以无水乙醇为介质球磨2 48h，烘干造粒，在15 ^MPa下压制成型得到铌酸钾钠基无铅压电陶瓷预烧坯体；(2)将预烧坯体在空气中烧结，烧结温度为1000 1200°C，保温时间为1.5 10h，随炉冷却得到陶瓷片；(3)陶瓷片上银极化，极化温度为100 180°C，极化电压为2 7KV/mm，极化时间为 20 60min，制得高性能铌酸钾钠无铅压电陶瓷。
6.根据权利要求5所述的高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于 所述步骤(1-3)中，将混合粉料在10 30MI^压力下压制成型后进行预烧，得到的预烧物料为铌酸钾钠基预烧块；所述铌酸钾钠基预烧块磨碎后，进行后续的球磨、烘干造粒。
7.根据权利要求6所述的高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于 所述磨碎的粒度为过60 100目筛。
8.根据权利要求5或6或7所述的高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于所述步骤(1-4)中，按照质量比乙醇球物料=1 2 2 3 1 2进行球磨。
全文摘要
本发明公开了一种高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，以通式(1-x)(KaNab)cLid(NbeTafSbg)O3-xBaZrO3表示，其中a、b、c、d、e、f、g为摩尔分数，0.35＜a≤0.6、0.35＜b≤0.6、0.92＜c≤0.99、0＜d≤025、0.74＜e≤0.89、0.1＜f≤0.3、0.01≤g＜0.3；x表示BaZrO3对(KaNab)cLid(NbeTafSbg)O3的摩尔百分比，0≤x≤30％。此外还公开了上述高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备方法。本发明显著提高了陶瓷材料的压电和介电性能，从而获得性能优异且稳定的压电材料，应用中可完全取代传统的铅基压电陶瓷，具有重要的实际意义和社会效益。
文档编号C04B35/622GK102515760SQ20111037913
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月24日 优先权日2011年11月24日
发明者刘涛, 吴芬, 李月明, 沈宗洋, 洪燕, 王竹梅, 肖祖贵 申请人:景德镇陶瓷学院