[发明专利]高致密度的铌锑酸钾钠锂-锆酸铋钠钙二元系无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无铅压电陶瓷，尤其是涉及一种高致密度的铌锑酸钾钠锂-锆酸铋钠钙二元系无铅压电陶瓷及其制备方法，属于钙钛矿结构环境协调性压电陶瓷领域。

背景技术

压电陶瓷作为一种重要的功能性陶瓷，常被应用在传感器、驱动器、超声换能器、蜂鸣器和电子点火器等器件中，在工业生产和人们的日常生活中发挥着至关重要的作用。含铅压电陶瓷，如Pb(Zr,Ti)O₃(缩写为PZT)由于其优异的压电性能，一直主导着压电陶瓷的市场。但是由于过高的含铅量(～60wt％)，在陶瓷的制备，使用，甚至废弃后的处理过程都会给人体和环境带来不可逆转的恶劣影响。随着人们环保意识的提升和社会的广泛关注，很多国家和地区都颁布实施了一些法令来限制铅等有害物质的使用，比如，欧盟在2003年通过了“限制在电子电气产品中使用有害物质的指令”(RoHS)；日本通过了“家用电子设备回收法”；我国在2006年也颁发了“电子信息产品生产污染防治管理办法”等一系列法规。尽管由于技术问题，一些含铅压电装置暂时具有豁免权，但是到2016年七月份这些豁免权就失效了。所以无铅压电陶瓷的研究迫在眉睫。

无铅压电陶瓷的研究，主要无铅压电陶瓷的目前主要有BaTiO₃-体系，(K,Na)NbO₃-体系，(Bi,Na)TiO₃-体系等，而(K,Na)NbO₃陶瓷因为其相对较高的压电系数和较高的居里温度而得到了很大的关注，特别是saito等通过模板晶粒生长法，制备了KNN-基陶瓷压电系数d₃₃≈416pC/N后，进一步掀起了KNN-基陶瓷的研究热潮。为了提升KNN-基压电陶瓷的性能，通常的研究方法有三种：纳米畴工程，晶粒取向方法和相界工程。但是对于KNN-基陶瓷来讲，虽然很多研究在压电性能上获得了很大的提升，但是由于陶瓷的致密度较低，在实际应用中得到了很大的限制。为了提高陶瓷的致密度，现在常用的方法多为特殊的加工工艺，比如：激光等离子体烧结，热压烧结等。但是这些特殊的加工工艺，工艺过程复杂，加工成本高不适合工业化的生产。目前通过室温构建相界，可以使碱金属铌酸盐基无铅压电陶瓷的性能得到大幅度的提升，因此，提升碱金属铌酸盐无铅压电陶瓷的压电性和致密度成为铌酸钾钠基无铅压电陶瓷应用的研究的主方向。

发明内容

本发明的目的就是为了用传统的固相烧结工艺制备高压电系数和高致密度的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，提供一种高致密度的铌锑酸钾钠锂-锆酸铋钠钙二元系无铅压电陶瓷。该方法采用传统固相烧结法制备的铌锑酸钾钠锂-锆酸铋钠钙二元系无铅压电陶瓷，其致密度高达4.63g/cm³，压电常数d₃₃为267pC/N，平面机电耦合系数k_p可达45.2％，T_c高达253℃

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的基本思路是：通过相结构的设计与优化来实现铌锑酸钾钠锂-锆酸铋钠钙二元系无铅压电陶瓷高致密度，高压电性能的目的，其具体方法是：添加Sb在将铌酸钾钠锂-锆酸铋钠钙陶瓷体系的正交-四方相变温度降低，同时提升铌酸钾钠锂-锆酸铋钠钙陶瓷体系的三方-正交相变温度；从而在室温下形成三方-四方两相共存的铌锑酸钾钠锂-锆酸铋钠钙二元系无铅压电陶瓷，其通式为(k_0.48,Na_0.52)_0.95Li_0.05Nb_1-xSb_x-0.03Ca_0.5(Bi_0.5,Na_0.5)ZrO₃。

本发明所述的一种高致密度的铌锑酸钾钠锂-锆酸铋钠钙二元系无铅压电陶瓷，由通式(k_0.48,Na_0.52)_0.95Li_0.05Nb_1-xSb_x-0.03Ca_0.5(Bi_0.5,Na_0.5)ZrO₃表示，式中的x代表压电陶瓷体系中Sb元素在组元中所占的原子数，即原子百分比，式中x＝0.01,0.030.05-0.08,0.10。

本发明所述高致密度的铌锑酸钾钠锂-锆酸铋钠钙二元系无铅压电陶瓷，其晶体结构为钙钛矿结构。