[发明专利]一种KNN-BF无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钙钛矿结构无铅压电陶瓷领域，涉及一种KNN-BF无铅压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

压电、铁电陶瓷是功能陶瓷材料中应用最广泛的一类，广泛应用在换能器、驱动器、声表面波以及滤波器、谐振器、限波器等频率器件领域，包括电容器陶瓷在内的压电、铁电陶瓷在世界市场份额中占整个功能陶瓷的三分之一。

1954年美国B.Jaffe等发现了PbZrO₃-PbTiO₃(PZT)体系，该体系中存在着与温度无关的相变，在相变点附近压电性能出现极值。衍生出一系列新的压电陶瓷材料。但是，由于在PZT系陶瓷中PbO的含量超过原料总质量的60%以上，PbO是易挥发性的有毒物质，长时间工作在具有PbO的环境中，PbO将蓄积在人的体内，致使大脑和神经系统受到损伤。另外，铅基压电陶瓷被废弃后因管理不善而被丢弃在大自然中，铅可以通过酸雨等途径带入水中、渗进土壤，造成对地下水和农田的污染，给生态环境带来严重的危害。欧盟规定到2006年7月1日，所有新生产的电子产品都应是无铅的。我国信息产业部也将铅等有害物质列入电子信息产品污染防治目录，但是，由于现在无铅压电陶瓷的性能还无法达到取代铅基压电陶瓷的要求，所以只能暂时把含铅的压电陶瓷列在被禁止的名单之外。然而，由于人类可持续发展的需要，压电陶瓷的无铅化是最终的发展方向。

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、Bi_0.5Na_0.5TiO₃基无铅压电陶瓷及K_0.5Na_0.5NbO₃碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷。其中KNN系无铅压电陶瓷因具有介电常数小、压电性能高、频率常数大、密度小、居里温度高等特点，成为当前最有可能取代铅基压电陶瓷的体系之一。但是，由于Na、K易挥发，Na_0.5K_0.5NbO₃陶瓷很难烧结致密。为了优化KNN基无铅压电陶瓷的结构，提高KNN基陶瓷的压电性能，各国学者从添加烧结助剂、A位和B位掺杂取代、添加新组元等方面对KNN基无铅压电陶瓷进行了大量研究；同时，结合热压、放电等离子、热等静压烧结等工艺方法，以期获得致密的KNN陶瓷；然而上述制备方法对设备要求过高、生产工艺苛刻、生产成本较高、材料尺寸受到限制，而且制得的陶瓷的稳定性也不能令人满意，因此难以获得工业化应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种KNN-BF无铅压电陶瓷及其制备方法，该方法工艺简单、能耗低、成本低，制得的KNN-BF无铅压电陶瓷的化学式为(1-x)(0.5KNbO₃-0.5NaNbO₃)-xBiFeO₃（x=0～0.012）。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种KNN-BF无铅压电陶瓷，其化学式为：

(1-x)(0.5KNbO₃-0.5NaNbO₃)-xBiFeO₃，其中x=0～0.012。

其为钙钛矿结构，其压电常数d₃₃=104～126pC/N，机电耦合系数K_p=17.1～37.3％，机械品质因子Q_m=11.74～131.9，居里温度T_c=415.3～444.4℃。

一种KNN-BF无铅压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按(1-x)(0.5KNbO₃-0.5NaNbO₃)-xBiFeO₃，x=0～0.012的化学计量比，计算KNbO₃粉体、NaNbO₃粉体和BiFeO₃₃粉体的质量并称取，得原料；

步骤2：将步骤1称取的原料放入反应容器中，加入有机物粘结剂及水，室温下搅拌至混合均匀并形成胶体，然后烘干，得混料；其中加入的有机物粘结剂的质量为原料质量的0.7%～2.3%，加入的水的质量为原料质量的50～100%;

步骤3：向步骤2所得的混料中加入原料质量2.5～4％的水，混合均匀后放在无光环境中陈腐，然后造粒，再干压成型，得陶瓷生坯片；