[发明专利]一种KNN-LT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-LT无铅压电陶瓷及其制备方法。 

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以来，特别是具有优异压电性能和高居里温度的锆钛酸铅Pb(Ti,Zr)O₃陶瓷成功开发后，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（Pb(Ti,Zr)O₃）为代表的铅基二元系和以锆钛酸铅（Pb(Ti,Zr)O₃）为基、添加第三组元如以铌镁酸铅(Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃)、锑锰酸铅Pb(Mn_1/3Sb_2/3)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Pb₃O₄的含量约占原料总质量的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、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。然而，传统工艺获得KNN压电陶瓷有以下的缺点：(1)在1140℃以上，KNN会出现液相，所以KNN的温度稳定性被限制在1140℃以下。(2)由于在900℃左右Na和K会以氧化物Na₂O和K₂O形成开始挥发，造成预烧和烧结的气氛很难控制；(3)KNN在潮湿的环境时非常容易发生潮解，使化学计量发生偏离，导致产生杂相，使陶瓷难以烧结致密。上述原因都限制了KNN体系材料的实际应用。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-LT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-LT无铅压电陶瓷的化学式为(1-x)(0.5KNbO₃-0.5NaNbO₃)-xLiTaO₃(x=0～0.10)。 

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为： 

一种KNN-LT无铅压电陶瓷，其化学式为: 

(1-x)(0.5KNbO₃-0.5NaNbO₃)-xLiTaO₃，其中x=0～0.10。 

其为钙钛矿结构，其压电常数d₃₃=104～167pC/N，机电耦合系数K_p=17.1～37.3％，机械品质因子Q_m=19.2～131.9，居里温度T_c=444.4～461.8℃。 

当x≤0.04时KNN-LT无铅压电陶瓷的主晶相为正交钙钛矿结构；当x≥0.10 时KNN-LT无铅压电陶瓷的主晶相为四方钙钛矿结构。 

一种KNN-LT无铅压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：