[发明专利]具有优异温度稳定性的无铅织构化陶瓷及其制备方法

说明书

本发明涉及具有优异温度稳定性的无铅织构化陶瓷及其制备方法，陶瓷材料化学组成符合通式(0.99‑x)(K_0.48Na_0.52)(Nb_0.96Sb_0.04)O₃‑0.01BaHfO₃‑x(Bi_0.5Na_0.5)ZrO₃，制备方法包括前驱体基料的制备、NaNbO₃模板籽晶的制备、具有粘性和流动性的流延浆料的制备、陶瓷生坯的制备及烧结得到无铅织构化陶瓷。与现有技术相比，本发明制备得到的无铅织构化陶瓷压电系数和电致应变都具有高的温度稳定性，该陶瓷材料在传感器、换能器和微位移驱动器等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于功能陶瓷材料领域，尤其是涉及一种具有优异温度稳定性的无铅织构化陶瓷及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷是一种能够将电能和机械能相互转换的信息功能材料。压电陶瓷的正压电效应是指压电陶瓷在外部机械应力的作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象。此外，压电材料的自发极化也可以在外电场作用下发生改变，其极化强度的改变会导致材料的伸长或者收缩变形，这种电效应转变成机械效应的现象称为逆压电效应或电致应变效应。压电材料具有电能和机械能相互转换的功能，使其被广泛应用于超声换能器、微驱动器、能量收集器、声传感器及超声马达等电子器件。在日常生活中压电陶瓷也发挥着重要的作用，例如，压电点火器、煤气灶、蜂鸣器等器件中都利用到了压电陶瓷材料。此外，银行、商店、安全保密场所的管理以及侦察、破案等很多场合也都利用到了压电传感器来验证每个人笔迹和声音特征等。医院检查人体内脏器官用的超声仪也使用了压电陶瓷探头。原子力显微镜、微型电动机及其他需要精密定位的设备也都需要压电陶瓷的微位移功能。

目前，市场上应用最多的压电陶瓷材料是铅含量较高的锆钛酸铅(PZT)基压电陶瓷，由于PZT基压电陶瓷较高的机电性能和温度稳定性，其一直占据着市场的主要份额。铅基压电陶瓷在生产、使用和废弃处理过程中都会对环境和人体产生较大的危害，随着人们对环保意识的增强和对身体健康的重视，许多国家和地区已经颁布了一些法律法规来严格限制含铅元素等有毒电子元器件的使用。因此，研发高性能，并且具有优异温度稳定性的无铅压电陶瓷来替代铅基压电陶瓷材料成为世界范围内一项紧迫而具有巨大经济价值的课题。目前，研究较多的无铅压电陶瓷主要包括钛酸钡(BT)，钛酸铋钠(BNT),铌酸钾钠(KNN)等体系。经过元素掺杂、第二、三组元复合以及陶瓷制备工艺的优化，BT、BNT和KNN基压电陶瓷的压电性能都获得了不同程度的提高。其主要的突破性进展有：(1)2009年Liu等通过Ca和Zr元素同时掺杂在Ba(Ti_0.8Zr_0.2)O₃-(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃陶瓷中获得了压电系数d₃₃高达620pC/N的压电性能。(Liu W,Ren X.Large piezoelectric effect in Pb-freeceramics.Phys.Rev.Lett.,2009,103(25):257602)(2)2016年，Liu等通过K,Sr和Nb等元素掺杂在BNT-2.5Nb陶瓷中获得了电致应变高达0.70％，逆压电系数d₃₃^*高达1400pm V^-1的压电性能。(Liu X,Tan X.Giant strains in non-textured(Bi_1/2Na_1/2)TiO₃-based lead-free ceramics.Adv.Mater.,2016,28(3):574-578.)(3)2004年，Saito等人利用LiSbO₃,LiTaO₃改性KNN，并结合织构化工艺制备了001取向的(K,Na)NbO₃-LiTaO₃-LiSbO₃织构化陶瓷，其压电系数d₃₃高达416pC/N，逆压电系数高达750pm/V，这些性能都可以和PZT基压电陶瓷相媲美。(Saito Y,Takao H,Tani T,et al.Lead-free piezoceramics.Nature,2004,432(7013):84)这些研究结果极大地激发了科研工作者对无铅压电陶瓷研究的热情。