[发明专利]一种氧化铜掺杂无铅压电陶瓷及其低温烧结方法

说明书

本发明涉及一种氧化铜掺杂无铅压电陶瓷及其低温烧结方法，原料组成为(1‑a)(K_0.5Na_0.5)_0.95Li_0.05Nb_0.93Sb_0.07‑aMZrO₃‑bCuO,其中a＝0.01～0.05,b＝0.1‑2,本发明采用三步烧结的制备方法，加入氧化铜之后，可在500℃低温条件下烧结成瓷，并获得良好的压电性能，得到一种新型的低温烧结无铅压电陶瓷材料，其压电常数d₃₃在烧结温区内变化不大，温度稳定性较好。该方法工艺简单，适用于低温共烧工艺，是一种具有发展前景的可用于多层电容器等领域的无铅压电陶瓷材料。

技术领域

本发明属于电子信息功能材料与元器件领域，尤其是涉及一种氧化铜掺杂无铅压电陶瓷及其低温烧结方法。

背景技术

压电陶瓷是一类重要的功能材料，利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。用两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代普通的火石，可以制成一种可连续打火几万次的气体电子打火机。用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对塑料甚至金属进行加工。

无铅压电陶瓷主要有钨青铜结构、铋层状结构和钙钛矿结构等三大类，其中钨青铜结构和铋层状结构陶瓷一般具有较高的居里温度(TC≥450℃)，但压电性能较低；钙钛矿结构陶瓷有较好的压电性能，但居里温度T_C一般低于450℃。由于钙钛矿型压电陶瓷材料具有组分可控可调、能够实现多组元的掺杂和复合，居里温度和压电性能可在较大范围内进行调节和优化等成为研究热点之一。

目前制备铌酸钾钠基无铅压电陶瓷主要采用传统的固相烧结方法[S.J.Zhang,R.Xia,T.R.Shrout,G.Z.Zang,J.F.Wang,Piezoelectric properties in perovskite0.948(K_0.5Na_0.5)NbO₃-0.052LiSbO₃lead-free ceramic,J.Appl.Phys.,2006,100:104108]，传统固相法制备的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，由于其烧结温度较高，一般为1080-1220℃，在此区间钾钠挥发严重，从而限制了压电陶瓷的应用。许多研究人员采用CuO,MnO₂,V₂O₅等作为烧结助剂来降低烧结温度，但是目前关于CuO报导的最低烧结温度为950℃左右[Ji-Hyun Lee,Dae-Hyeon,In-Tae Seo,et al,Large strain in CuO-added(Na0.2K0.8)NbO3ceramics for use in piezoelectric multilayer actuators,J.A.Ceram.Soc.,1-8,2015]，仍然不适用于低温共烧工艺，因此很有必要探索一种可以调控铌酸钾钠基陶瓷低温烧结的烧结方法。

中国专利CN 104876567 A公开了高压电系数铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法，原料组成为(1-a)(K_0.5Na_0.5)_0.95Li_0.05Nb_0.93Sb_0.07-aMZrO₃,其中M＝Ca,Sr或Ba，a＝0.01～0.06；采用三步烧结固相合成的制备方法，第一步烧结温度为1100～1120℃，保温时间为0分钟，第二步烧结温度为1160-1210℃，保温时间为0～5分钟，第三步烧结温度为1000～1100℃，保温时间为2～20小时，得到一种新型的无铅压电陶瓷材料，但是该种材料在烧结时温度仍然较高，原料中的碱金属会有较多的挥发。

发明内容