[发明专利]一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，原料组分及其摩尔百分比含量为K_0.5Na_0.5NbO₃‑xFe,其中0＜x≤0.01。按化学式分别配取碳酸钠、碳酸钾、五氧化二铌、草酸亚铁，球磨、烘干后再将混合原料于800～900℃预合成，再进行造粒、成型、排胶后于1070～1100℃烧结，制得高性能铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。本发明既降低了烧结温度、减少了碱金属的挥发，又提高了应变性能，最大应变S～0.206％，逆压电系数d₃₃^*最大为600pm/V，压电系数d₃₃为39～87pC/N。

技术领域

本发明属于一种以组分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种高性能铌酸钾钠(KNN)基无铅压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

压电材料是实现电能和机械能相互转换的一类重要功能材料。因此压电材料在机械、电子通讯、军事等诸多领域有着广泛的应用，是一类极其重要的高技术材料。由于市场上广泛应用的铅基压电陶瓷(PZT)中含有大量Pb,在制备、使用、废弃过程中对人类及生态环境造成严重的危害，因此研究和开发性能优异的无铅压电陶瓷，意义深远。

目前人们已开发出多种无铅压电陶瓷体系中，KNN基无铅压电材料因其环境友好型且具有大的应变，被认为是最有希望取代铅基压电陶瓷的材料之一。现有技术中在K_0.5Na_0.5NbO₃陶瓷的基础上对其进行B位离子掺杂，利用传统固相烧结工艺得到了应变S～0.206％的压电陶瓷。本发明通过离子掺杂降低烧结温度减少碱金属挥发的同时也提高了应变性能。

发明内容

本发明的目的，是通过掺杂Fe²⁺离子以提高KNN基压电陶瓷的电致应变以及逆压电系数，既可以降低陶瓷的烧结温度，又可以大幅提高基体陶瓷的应变性能，提供一种Fe²⁺离子掺杂改性的KNN基无铅压电陶瓷材料及其制备方法。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案如下：

一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料，原料组分及其摩尔百分比含量为K_0.5Na_0.5NbO₃-xFe,其中0＜x≤0.01。

上述铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料的制备方法，具有如下步骤：

(1)按K_0.5Na_0.5NbO₃-xFe,其中0＜x≤0.01的化学式分别配取基本原料碳酸钠、碳酸钾、五氧化二铌、草酸亚铁，装入球磨罐中，球磨5h，再将料浆放入烘箱内于60℃烘干；

(2)将步骤(1)的K_0.5Na_0.5NbO₃-xFe混合原料于800～900℃预合成，保温4～6h；

(3)将步骤(2)的预合成原料过筛后进行造粒、成型为坯体，再进行加热排胶；

(4)将步骤(3)排胶后的坯体，于1070～1100℃烧结，保温2～4h，制得铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料。

所述铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料的压电系数d₃₃为39～87pC/N,最大应变S为0.206％，逆压电系数d₃₃^*最大为600pm/V。

所述步骤(1)的球磨介质为氧化锆球，球磨剂为无水乙醇；原料、无水乙醇和氧化锆球的质量比为1:2:2。

所述步骤(1)的球磨机转速为400转/分。

所述步骤(4)的烧结温度为1080℃。