专利名称：铌酸钠钛酸钡铋钾系无铅压电陶瓷组合物的制作方法
技术领域：
本发明属于钙钛矿结构压电陶瓷领域，涉及一种新型的多元系铌酸盐无铅压电陶瓷组合物，特别是涉及一种铌酸钠钛酸钡铋钾系无铅压电陶瓷组合物。
背景技术：
自二十世纪四十年代中期发现钛酸钡陶瓷的压电性，特别是具有优异压电性能和高居里温度的锆钛酸铅1 (Ti, Zr) O3陶瓷开发成功后，结构特征为ABO3型的铅基钙钛矿压电陶瓷的研究开发非常活跃，压电陶瓷及压电陶瓷器件已广泛地应用于工业特别是信息产业领域。以锆钛酸铅(I^b(Tijr)O3)为代表的铅基二元系和以锆钛酸铅(I^b(Tijr)O3)为基、添加第三组元[如以铌镁酸铅(Pb (Mg1/3Nb2/3) O3)、锑锰酸铅H5(Mnv3Sb2Z3) O3为代表]的铅基三元系压电陶瓷材料具有优良的压电铁电性能、高的居里温度。工业生产中应用的压电陶瓷绝大多数是该类钙钛矿铅基压电陶瓷。但是，铅基压电陶瓷材料中，PbO或I^b3O4的含量约占原料总量的70%。铅污染已成为人类公害之一。铅基压电陶瓷在生产、使用及废弃后处理过程中给人类及生态环境造成严重危害，不利于人类社会的可持续发展。近年来，开发不含铅的、性能优越的压电陶瓷体系受到世界各国特别是欧美、日本、韩国以及中国的日益重视。目前广泛研究的无铅压电陶瓷体系有四类铋层状结构无铅压电陶瓷、BaTiO3基无铅压电陶瓷、Bia5Naa5TiO3基无铅压电陶瓷及Ka5Naa5NbO3碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷。铋层状结构无铅压电陶瓷居里温度高，各向异性大，但压电活性极低；BaTiO3基压电陶瓷居里温度仅为120°C，室温附近存在铁电四方-铁电正交相界，电学性能的温度稳定性较差，机械品质因数小；Bia5Naa5TiO3基无铅压电陶瓷具有压电性较强且易于改性提高压电性能的特点，但在210°C附近的第二相变致使退极化温度低于210°C，改性提高压电性能的同时往往伴随退极化温度的严重降低，机械品质因数小Aa5Naa5NbO3碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷通过引入ABO3型化合物或相似离子取代改性使铁电四方-铁电正交相变移向室温而提高压电性能，但室温铁电四方-铁电正交两相共存使电学性能的温度稳定性较差， 机械品质因数小。铌酸钠NaNbO3是正交结构钙钛矿反铁电体，被认为是最复杂的钙钛矿结构材料。 随着温度的降低，依次发生顺电相-反铁电相-铁电相等六个结构相变(Phys. Rev. B, 76，024110-1-8(2007)) ο 在 NaNbO3 中引入 ABO3 型化合物，可以形成 NaNbO3-CaTiO3 (Phys. Rev. B 77，052104 (2008)), NaNbO3-SrTiO3 (Chem. Mater. , 17，1880-1886 (2005)), NaNbO3-BaSnO3(Solid State Sci. 6，333-337 (2004)), NaNbO3-CaSnO3(J. Alloys Compd. , 465，222-226 (2008))等NaNbO3基体系，这些体系具有显著的弛豫特征而作为介电材料被深入研究，但不显示出压电性能。此外，在NaNbO3中引入铌酸盐铁电体如KNbO3CJ. Am. Ceram. Soc. , 82，797 - 818 (1999)), LiNbO3Q. Appl. Phys. , 48，3014-3017 (1977))，可以得到压电体。除此之外，相对于上述四类无铅压电陶瓷，关于NaNbO3基无铅铁电压电陶瓷材料的研究极少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铌酸钠钛酸钡铋钾系无铅压电陶瓷组合物，以解决现有技术上的上述问题。本发明所提供的组合物克服了已有的铅基压电陶瓷体系本身固有的缺陷，并改进了现有的无铅压电陶瓷性能。该类无铅压电陶瓷组合物采用传统陶瓷工艺制备，具有良好的压电铁电性能，机械品质因数高，介电损耗小，工艺稳定性好，具有实用性。本发明提供的铌酸钠钛酸钡铋钾系无铅压电陶瓷组合物包含钙钛矿反铁电体 NaNbO3 和强铁电体 Bai_y (Bi0.5K0.5)yTi03。根据反铁电体 NaNbO3 及强铁电体 Bai_y (Bi0.5K0.5) yTi03本身固有的特点，以反铁电体与铁电体固溶可望形成良好压电体原则为指导，本发明向反铁电体NaNbO3中引入强铁电体Bai_y (Bia 5Ka 5) yTi03，固溶形成了一种新型的钙钛矿结构无铅压电陶瓷材料。本发明所提供的陶瓷组合物可以用通式(1-x)NaNb03-xBai_y(Bia5Ka5)yTiO3来表示，X、y表示相应元素所占的原子数，即原子百分比，式中0. 025 ^ X ^ 0. 25，0<y<l。另外，本发明所述的铌酸钠钛酸钡铋钾系无铅压电陶瓷组合物中还可以进一步含有一种或多种氧化物，则组合物的通式为(1-x)NaNbO3-XBa1^y(Bi0.5K0.5)yTi03((100-a) mol%)+Ma0e (amol%)，在式中MaO0表示氧化物，α和β分别表示相关氧化物中相应的元素M和氧的原子数，amoW)为该氧化物占组合物总体的摩尔比，其中0 < a < 3。M为+1至 +6价且能与氧形成固态氧化物的元素，其包括但不限于至少一种选自Na、K、Li、Ni、Zn、Cr、 Co、Nb、Ta、Al、Cu、Fe、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、In、Y、Sc、La、Ho、Lu、Sn、Sb、Mn、Ca、 Ba、Sr、Mg、Si、Bi或細的元素。优选M为Mn。本发明提出的压电陶瓷材料还可以由前面通式表示的基料添加氧化物(即基料+掺杂物)组成，使一些性能优化。可以用通式表示为(I-X)NaNbO3-XBa1I(Bia5Ka5) yTi03((100-a)mol%)+Ma0e (amol%)，在式中Ma O0表示掺杂物，掺杂物所占的比重为 0-3mOl%。MaO0是一种或多种掺杂氧化物，M为+1至+6价且能与氧形成固态氧化物的元素，如 Na、K、Li、Ni、Zn、Cr、Co、Nb、Ta、Al、Cu、Fe、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、In、Y、Sc、 La、Ho、Lu、Sn、Sb、Mn、Ca、Ba、Sr、Mg、Si、Bi、Ag等，α和β分别表示相关氧化物中相应的元素M和氧的原子数。本发明所述的铌酸钠钛酸钡铋钾系无铅压电陶瓷组合物具有优良的压电铁电性能，经材料性能测试，压电常数 /33可达130pC/N以上，矣可达20%以上，仏可达1200以上， 介电损耗低于2. 50%。本发明提供的组合物的优点是不含铅；压电性能优良；铁电性强； 机械品质因数大；介电损耗小；制备工艺稳定，采用传统压电陶瓷制备技术获得；烧结温度低，约为1060 - 1220°C。通过进一步含有氧化物，可以调制该无铅压电陶瓷组合物的一些性能参数。
图 1 是本发明测得的 0. 95NaNb03-0. 05Ba0 6 (Bi0 5K0.5) 0 4Ti03 (99mol%) + MnO2 (lmol%)无铅压电陶瓷在室温下的电滞回线。图 2 是本发明测得的 0. 95NaNb03-0. 05Ba0 6 (Bi0 5K0.5) 0 4Ti03 (99mol%) + MnO2 (lmol%)在IkHz的介电常数(、)-温度(T)曲线。
具体实施例方式以下将通过实施例对本发明进行详细描述，这些实施例只是出于示例性说明的目的，而并非用于限定本发明。制备本发明所述通式为(1-x)NaNb03-xBai_y(Bia5Ka5)yTiO3的无铅压电陶瓷可以采用工业纯、化学纯或分析纯的Na2C03、K2C03、BaC03、Bi203、Ti02、Nb205为原料，按照常规制备方法制得。例如，其中的一种方法是根据通式的化学计量比称量原料，经充分球磨混勻后， 装入氧化铝坩埚内，在800-900°C进行预烧，保温时间为6小时，再经球磨磨细、充分混合、 加粘结剂、成型、排塑，最后在1060-1120°C下烧结2-6小时。烧结后的陶瓷片被上银电极， 在60-100°C的硅油中，在3-6kV/mm的电压下极化30-40分钟。制备本发明所述通式为(1-x)NaNbO3-XBa1^y (Bi0.5K0.5) yTi03 ((100-a) mol%) + MaO0 (amol%)的无铅压电陶瓷的一种方法是，可以采用工业纯、化学纯或分析纯的Na2C03、 K2CO3> BaCO3> Bi203、TiO2, Nb2O5为原料，按其通式的化学计量比称量原料，经充分球磨混勻后，装入氧化铝坩埚内，在800-900°C进行预烧，保温时间为6小时。预烧合成的粉料中加入适量的工业纯、化学纯或分析纯MaO0改性添加剂，再经球磨磨细、充分混合、加粘结剂、成型、排塑，最后在1060-1120°C下烧结2-6小时。烧结后的陶瓷片被上银电极，在60_100°C 的硅油中，在3-6kV/mm的电压下极化30-40分钟。
按照上述方法制备的无铅压电陶瓷的配方和性能指标如下 实施例1
5^-0. 5)(
JiO3
配方0. 825NaNb03-0. 175BaQ 6 (Bia 5 .5/0. 性能
i/33(pC/N) f r^p (%)
1081079 17.
实施例2
配方0. 825NaNb03-0. 175Ba0 6 (Bi0.5K0.5) 0 4Ti03 (99mol%)+MnO2 (Imo 1%) 性能
4
Qm tan δ (%) 326 2. 53
i/33(pC/N) f rkv{%)
1311470 17.
实施例3
配方:0. 825NaNbO3-O. 175Ba0.6(Bi0.5、5/0.4…3 性能
i/33(pC/N) f r^p (%)
1281337 18.4
实施例4
配方:0. 95NaNb03-0. 05Ba0 6(Bi0.5K0.5) 0 4Ti03 (99mol%)+MnO2 (Imo 1%) 誰
Qm tan δ (%) 5391 2. 13
；Kn J 0 4TiO, (99. 5mol%) +MnO2 (0. 5mol%)
Qm tan δ (%) 260 1.60
性能
"33(pC/N) 54
kA%)
302
17. 1
Qm tan δ (%) 1862 1.87实施例5
配方0. 925NaNb03-0. 075Ba0 6 (Bi0.5K0.5) 0.4Ti03 (99mol%)+MnO2 (Imo 1%) 性能
i/33(pC/N) f rkv (%)Qm tan δ (%)
60440 16.81211 2.27
实施例6
配方:0. 90NaNb03-0. IOBa0 6 (Bi0.5K0.5) 0 4Ti03 (99mol%)+MnO2 (Imo 1%) 性能
i/33(pC/N) ε rkv (%)Qm tan δ (%)
10595226. 5384 0.84
实施例7
配方:0. 85NaNb03-0. 15Ba0 6(Bi0.5K0.5) 0 4Ti03 (99mol%)+MnO2 (Imo 1%) 性能
i/33(pC/N) f rkv (%)Qm tan δ (%)
961134
实施例8
配方:0. 85NaNb03-0. 15Ba0. 性能
21.8682 1.47
,(Bi。. 5K0.5) . 5Ti03 (99mol%) +MnO2 (lmol%)
"33(pC/N) 99
1180
kv (%)Qm tan δ (%)
22. 3608 1.8权利要求
1.铌酸钠钛酸钡铋钾系无铅压电陶瓷材料组合物，其特征在于该组合物中包含钙钛矿反铁电体NaNbO3和强铁电体Bai_y (Bi0.5K0.5) yTi03,其中该组合物由通式(l_x) NaNbO3-XBa1I (Bi。.5K。5)yTi03 来表示，式中 0. 025 ^ χ ^ 0. 25，0<y<l。
2.如权利要求1所述的无铅压电陶瓷材料组合物，其特征在于所述组合物还含有一种或多种氧化物，组合物的通式为(1-x) NaNbO3-XBa1^y (Bi0.5K0.5) yTi03 ((100-a) mOl%)+Ma0e(amOl%)，在式中MaO0表示一种或多种氧化物，α和β分别表示相关氧化物中相应的元素M和氧的原子数，amoW)为该氧化物占组合物总体的摩尔比，其中0 < a < 3， M为+1至+6价且能与氧形成固态氧化物的元素，其选自Na、K、Li、Ni、Zn、Cr、Co、Nb、Ta、 Al、Cu、Fe、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、In、Y、Sc、La、Ho、Lu、Sn、Sb、Mn、Ca、Ba、Sr、Mg、 Si、Bi或Ag中的至少一种。
3.如权利要求2的无铅压电陶瓷材料组合物，其特征在于所述M为Mn。
全文摘要
一种新型的铌酸钠钛酸钡铋钾系无铅压电陶瓷组合物，其包含钙钛矿反铁电体NaNbO3和强铁电体Ba1-y(Bi0.5K0.5)yTiO3，其通式用(1-x)NaNbO3-xBa1-y(Bi0.5K0.5)yTiO3来表示，式中0.025≤x≤0.25，0<y<1。该无铅压电陶瓷组合物还可以含有一种或多种氧化物，其通式为(1-x)NaNbO3-xBa1-y(Bi0.5K0.5)yTiO3((100-a)mol%)+MαOβ(amol%)，MαOβ是一种或多种氧化物，其含量a占主要成分(1-x)NaNbO3-xBa1-y(Bi0.5K0.5)yTiO3的摩尔比为0-3%,M为+1至+6价且能与氧形成固态氧化物的元素，α和β分别表示相关氧化物中相应的元素M和氧的原子数。该体系压电陶瓷组合物的最优值d33可达130pC/N以上，kp可达20%以上，Qm可达1200以上,致密性好，工艺稳定，采用传统压电陶瓷制备技术制得，具有实用性。
文档编号C04B35/495GK102515762SQ201110435330
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月22日 优先权日2011年12月22日
发明者孙海玲, 樊喜明, 赁敦敏, 郑荞佶 申请人:四川师范大学