[发明专利]一种铌酸钾钠基多层压电陶瓷元件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及功能陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种锂、锑、钽共掺杂铌酸钾钠基多层压电陶瓷元件，本发明还进一步涉及到锂、锑、钽共掺杂铌酸钾钠基多层压电陶瓷元件的制备方法。

背景技术

多层压电陶瓷元件是一种重要的电子功能陶瓷元件，相比于普通单层压电陶瓷元件，具有驱动电压低，压电应变大，易于小型化、薄型化等优点。多层压电陶瓷元件广泛用于压电变压器，压电驱动器，压电扬声器，压电浮能器，以及多层陶瓷电容器，其中压电驱动器包括汽车发动机喷油系统，超声马达，直线超声电机，微位移器等高精尖领域，而且多层器件体积小、用量大，所以多层压电陶瓷的研究具有重要的科学意义和市场价值。然而，目前多层压电陶瓷选用的原材料多为锆钛酸铅系陶瓷，含有60wt％以上的有毒氧化铅，在生产、使用和废弃过程中极易对人体的健康和环境造成危害。2006年，欧盟发布和实施RoHS指令(关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令)，禁止在电子产品中使用铅等有害成分，随后中美韩日等国也相继发布或计划发布类似的法令。随后世界掀起了研究锆钛酸铅系压电陶瓷的替代材料，即无铅压电陶瓷的热潮。尽管现在锆钛酸铅系压电陶瓷仍享有这一指令的特赦权，欧盟每年都会对无铅体系压电陶瓷替代铅系压电陶瓷的技术水平进行评估，一旦时机成熟，将会立即推行压电陶瓷的无铅化进程。所以以无铅压电陶瓷为原材料的多层压电陶瓷的制备技术具有可预见而迫切的应用价值。

铌酸钾钠系压电陶瓷以其单位重量下较好的压电和介电性能和较高的居里温度，一直是最重要的无铅压电陶瓷材料体系之一。2004年，日本学者Saito等人通过锂、锑、钽共掺杂和织构化实现了铌酸钾钠系压电材料压电性能的突破，其中固相法共掺杂得到的最优压电常数首次达到了300pC/N以上。经过国内外学者进一步的研究和改进，铌酸钾钠系无铅压电陶瓷已经成为最具潜力替代铅系压电陶瓷的材料体系之一。目前，铌酸钾钠系无铅压电陶瓷多层元件的研究和制备正处于快速发展的阶段，本发明使用具有高介电、高压电性能的锂、锑、钽共掺杂的铌酸钾钠陶瓷配方，通过改进后的制备工艺制备多层无铅压电陶瓷元件，具有重要的生产实践意义。

CN101456733A公开了一种用通式(Na_0.52K_0.44Li_0.04)(Nb_0.80Ta_0.20)O₃,表示的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷薄片的制备方法，由原料预处理、混合原料、预烧、制浆、流延、冲片、排胶、烧结、被银、极化工艺步骤组成。本发明与现有压电陶瓷制备方法相比，采用了制浆、流延工艺步骤，制备成了纯钙钦矿结构、密度大、细晶且晶粒均一、电性能好的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷薄片，厚度为0.12mm。采用本发明方法制备的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷薄片，制备成无铅压电蜂鸣器，无环境污染，驱动电压为3V时，声压在4.445kHz达到最大值86.06dB；驱动电压为6V、9V时，最大声压比分别增人到91.91、95.22dB，表明压电蜂鸣器具有好的电声性能，达到作为发声器件的应用要求。其采用一次煅烧的制备技术，由于铌酸钾钠系无铅压电陶瓷含有钾、钠、锂等碱金属元素，在1150-1170℃的高温烧结4-8小时易挥发，一次煅烧的技术方案易造成粉体成相不均匀，粉体实际组分偏离原配方的现象，其具有压电常数约为200-250pC/N的压电常数，和500-1100的介电常数。在大规模生产实践中更易发生且更严重，直接影响了产品性能的一致性和良品率。

发明内容

为此，本发明所要解决的是现有的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷薄片在制备过程中存在碱金属易于挥发问题，引起产品实际组分偏离设计的值，甚至产生具有非化学计量比的组分区域，生成钨青铜相、焦绿石相等杂相，降低陶瓷的压电性能，增大介电损耗，进而造成产品性能下降，为此本发明提供了一种铌酸钾钠基多层压电陶瓷元件，其具有较高的压电性能。

本发明还进一步地提供了上述铌酸钾钠基多层压电陶瓷元件的制备方法。

本发明采用如下技术方案：

一种铌酸钾钠基多层压电陶瓷元件，所述铌酸钾钠基无铅压电陶瓷原件的配方化学计量通式为：

[(Na_0.52K_0.44)_1-xLi_x](Nb_0.93-ySb_0.07Ta_y)O₃

其中0.02≤x≤0.06，0.02≤y≤0.06。