[发明专利]一种铌酸钠钾锂基无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于环境友好型能源材料领域，特别是提供一种铌酸钾钠锂基无铅压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

目前广泛应用的压电陶瓷材料是Pb(Ti，Zr)O₃(PZT)，PbTiO₃-PbZrO₃-ABO₃(ABO₃为复合钙钛矿型铁电体)及PbTiO₃等铅基陶瓷，其中铅的质量分数大约为70％。这类陶瓷在生产、使用及废弃后处理过程中都会给人类和生态环境造成严重损害，开发无铅压电材料已势在必行。目前已经报道的无铅压电陶瓷有钨青铜结构陶瓷体系、铌酸钾基陶瓷体系、铋层状结构陶瓷体系和钛酸钡陶瓷体系，其中铌酸盐无铅压电陶瓷是最有希望取代含铅压电陶瓷的体系之一。2004年文献1(Nature，2004 Vol 432，p 84-87)报道了锂、钽和锑共同改性的铌酸盐基无铅压电陶瓷的压电性能，经模板法制备的织构陶瓷的压电常数可达416pC/N。但对于常压烧结且不经任何改性的铌酸钠钾陶瓷，据文献3(Applied Physics Letter.2004，Vol 85，p412)报道其压电常数只有97pC/N。文献4(Applied Physics Letter.2005，Vol 59，p241-244)和文献5(Applied Physics Letter.2006，Vol 88，p212)报道了通过添加改性元素能有效地提高铌酸钠钾基陶瓷的压电性能，文献7(Journal of American Society.1962，Vol 45，p209-13)和文献8(MaterialsScience Forum.2005，p475-479)报道了利用热压烧结和放电等离子体烧结等先进制备工艺，得到了性能良好的致密陶瓷材料。通过元素改性和优化制备工艺等手段，无铅铌酸钠钾基陶瓷的压电性能有了明显的提高，正在不断地逼近实际应用水平，目前该领域已经公开发表的专利内容如下。专利CN1609047A公开了结晶取向陶瓷及制备方法，该陶瓷的通式为：{Li_x(K_1-yNa_y)_1-x}{Nb_1-z-wTa_zSb_w}O₃，其中0≤x≤0.2，0≤y≤1，0≤z≤0.4，0≤w≤0.2，x+z+w>0，其特征在于以铌酸钠钾为基础，添加锂、钽、锑等改性元素，并在此基础上将其制成具有织构组织的陶瓷材料，不包括多晶陶瓷材料。专利CN1810711A公开了一种高居里点铌酸钠钾锂基无铅压电陶瓷及制备方法，陶瓷的通式可表示为：(1-u)[(1-z)(Li_xNa_yK_1-x-y)NbO₃+zMTiO₃]+uMnO₂，其中x、y、z表示复合离子中相应元素材料在各组元中所占原子百分比，且所有原子总数和为1，0.01≤x≤0.2，0.2≤y≤0.7，0.01≤z≤0.25，0≤u≤0.05，其特征在于在铌酸钠钾锂的基础上，加入一种或几种Mg、Ca、Sr、Ba的钛酸盐或氧化物进行改性。专利CN1884198A公开了铌钽酸钠钾基无铅压电陶瓷及制备方法，其特征在与以铌钽酸钠钾为基础，基料的通式为：(K_1-xNa_x)(Nb_1-yTa_y)O₃其中x＝0.1～0.9，y＝0.01～0.30)，在此基础上添加Cu²⁺、Sb⁵⁺、Sn⁴⁺、Li⁺中的任一种或任几种进行改性。专利CN1511802A公开了一类多组元铌酸盐系无铅压电陶瓷，其权利要求成分为：(Li_xNa_yK_1-x-y)(Nb_1-zR_z)O₃或在此基础上添加一种或一种以上的LMnO₃，式中，0<x≤0.3，0<y<1，0<(x+y)<1，0≤z≤0.4，R为Ta或Sb或两者的复合离子，L为Y、Er、Ho、Dy、Tm、Lu、Yb、Lu、Nd、Sm稀土族金属元素，LMnO₃的添加比例为0-17wt％，(Li_xNa_yK_1-x-y)(Nb_1-zR_z)O₃的比例为83-17wt％。本专利的特征是以铌酸钠钾锂为基础，首先通过Ta、Sb对Nb进行B位取代，然后进行稀土族金属元素掺杂。专利CN1644562A公开了铌酸钠钾体系无铅压电陶瓷及其制备方法。专利CN1388089A虽然报道了以Na、Li、Nb及O元素为主要成分构成的钙钛矿结构化合物，其通式为：(1-u)[(1-z)Na_1-xLi_x)_1-yK_y](Nb_1-zTa_z)O₃-nM1M2O₃，其中，0.02≤x≤0.3，0≤y≤0.2，0≤z≤0.2，0≤n≤0.1，M1为二价金属，M2为四价金属，但其添加元素不仅有钽，还有其他金属元素，并且钾的摩尔分数在0～0.2之间。到目前为止已经公开的专利的共同特征就是陶瓷材料的通式为ABO₃，A位原子摩尔分数之和均为1，也就是说它们都属于化学计量比范畴。专利CN1919791A公开了一种高Qm的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷及其中频谐振器，其特征是以铌酸钠钾为基础，其通式为(Na_xK_1-x+δ)Nb_1+zO₃+wmolCuO，式中0≤x≤1，0≤δ≤0.1，0≤z≤0.2，0≤w≤0.1，然后掺杂CuO来实现高谐振的。虽然该公开专利是目前唯一涉及A位原子摩尔分数之和包括一部分非化学计量比成分的专利，但是不含锂元素，其压电常数偏低仅为90～120。