[发明专利]一种可在还原气氛下烧结的铌酸钾钠基压电陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开了一种可在还原气氛下烧结的铌酸钾钠基压电陶瓷组分及其制备方法。本发明所述的压电陶瓷的化学组成为Sn、Zr、Mn、Bi掺杂的(K,Na)NbO₃压电陶瓷，其中各组分的摩尔百分数为：50%的Na，45–50%的K，90–100%的Nb，0–5%的Bi，0–1.0%的Sn，0–1.0%的Zr，0–0.5%的Mn。制备方法为：（1）称取原料，并行星球磨6–24小时；（2）将混合料烘干并在800–900℃下预烧5–6小时；（3）将步骤2中的粉体行星球磨12–24小时；（4）将步骤3的粉体压制成陶瓷圆形生坯；（5）将生坯在1050–1150℃保温1–3小时完成烧结，烧结气氛为体积分数95–99%的氮气和1–5%的氢气。本发明制备的陶瓷致密度高，压电系数可达350pC/N，1kV/mm下的绝缘电阻率可达398GΩcm。

技术领域

本发明属于压电陶瓷材料制备方法技术领域，具体涉及一种可在还原气氛下烧结的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备方法。

背景技术

钙钛矿型铁电固溶体在准同型相界或多晶型相界附近具有优异的压电介电性能，广泛用于制备换能器、驱动器、谐振器及传感器等。然而，目前商业化的Pb(Zr_xTi_1-x)O₃（PZT）基压电陶瓷含有60%以上的有毒有害且容易挥发的PbO，使其在生产和废气过程中会对人体和环境造成严重的危害，因而欧盟、美国和中国等国家和地区相继出台法律法规限制含铅电子产品的使用，压电材料无铅化已成为当前亟待解决的课题。

在目前广泛研究的无铅压电体系中，NaNbO₃-KNbO₃（KNN）基无铅压电陶瓷在K/Na比为0.48/0.52的成分附近，存在正交相和四方相铁电相变，压电常数d₃₃可达到160pC/N，机电耦合系数k_t达到47%，居里温度T_c约为420°C。通过掺杂改性，KNN基压电材料的压电常数可进一步提高，但仍然无法替代商业化的PZT基陶瓷（PZT-5H的压电性能参数：d₃₃~640 pC/N，k_p~72%，T_c~250°C）。因此通过多层结构设计增强陶瓷器件的压电响应，是推动无铅压电陶瓷的应用的有效方法之一。

多层陶瓷元件是陶瓷素坯与金属内电极交错堆叠共烧而成，陶瓷电介质层与层之间通过叉指状电极，实现电学并联、机械串联。电学并联的特点可以使多层压电陶瓷元件所需的驱动电压仅为同厚度的单层陶瓷的1/N（N为多层压电陶瓷元件的层数）；机械串联可以将每层的压电位移叠加，放大整个多层元件的输出位移。目前，KNN基多层压电陶瓷的研究尚处于起步阶段。韩国科学家Kim等人分别以 (K_0.5Na_0.5)NbO₃和0.95(K_0.5Na_0.5)NbO₃–0.05LiTaO₃等组分为陶瓷基体，以银钯合金为内电极，采用流延共烧工艺制备了多层压电陶瓷元件，压电常数d₃₃分别约为114pC/N和250pC/N。银钯等内电极金属价格昂贵，为降低制造成本，使用Ni或Cu贱金属内电极势在必行，这要求陶瓷介质和贱金属内电极必须在还原气氛下烧结，因此必须解决陶瓷介质的抗还原问题。