[发明专利]一种锆酸铋钠锶掺杂铌酸钾钠基压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锆酸铋钠锶掺杂铌酸钾钠基压电陶瓷材料及其制备方法，其特点是该方法是采用固相法制备锆酸铋钠锶掺杂铌酸钾钠（KNN）基陶瓷粉体材料；再通过造粒压片、排胶、烧结和被银测试等电子陶瓷制备工艺制备锆酸铋钠锶掺杂KNN基陶瓷。通过组元Sr(BiNa)ZrO₃掺杂大大提高了KNN压电及介电性能，并具有较好的温度稳定性，可望制备压电器件。

技术领域

本发明涉及一种锆酸铋钠锶掺杂铌酸钾钠基压电陶瓷材料及其制备方法，具体地说，是在铌酸钾钠基材料的制备过程中同时掺入一定含量的锆酸铋钠锶，通过特定的极化方法以获得高压电性能。本发明属于材料科学与工程领域。

背景技术

压电陶瓷因其性能优异、制备工艺简单，成本低，被广泛应用于传感器、驱动器、超声换能器、谐振器、滤波器等各种电子元器件。目前，市场上大量使用的含铅压电陶瓷不利于人类及生态环境的可持续发展。高性能无铅压电陶瓷，特别是具有钙钛矿结构高性能无铅压电陶瓷，因其优异的压电性能成为近年来国际上研究的热点和重点。

铌酸钾钠(K,Na)NbO₃ 是一种具有钙钛矿结构的压电材料，普通烧结工艺制备的纯铌酸钾钠陶瓷的压电常数d₃₃仅为80 pC/N左右。有学者采用放电等离子烧结或热压烧结制备的铌酸钾钠基压电陶瓷其d₃₃可达到~250pC/N，可提高材料本身的机械力学性能，具有较高的致密度，但是材料稳定性欠佳，尺寸受限制，并且工艺设备较为昂贵，不适宜工业化生产。铌酸钾钠基陶瓷中进行化学掺杂可以有效地改善陶瓷的烧结特性, 获得高致密度的陶瓷体，可以显著提高其压电性能(200~400pC/N)。经过掺杂改性的铌酸钾钠基陶瓷，即使采用传统制备工艺也可以具有相对较高的压电性能。目前未有对铌酸钾钠基陶瓷掺杂锆酸铋钠锶的报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不足提供一种锆酸铋钠锶掺杂铌酸钾钠基压电陶瓷材料。其特点是通过化学掺杂进行铌酸钾钠基陶瓷掺杂改性，以构建室温下多相共存陶瓷体系。该方法大大提高了铌酸钾钠陶瓷的压电性能及介电性能。

一种锆酸铋钠锶掺杂铌酸钾钠基陶瓷材料，其特征在于制备工艺如以下步骤：

(1)固相法制备铌酸钾钠基陶瓷粉体

将原料分别按通式(K_0.48Na_0.52)(Nb_0.97Sb_0.03)O₃-0.05Sr_x(Bi_0.5Na_0.5)_(1-x)ZrO₃-0.0015Fe₂O₃(其中x表示Sr取代Bi_0.5Na_0.5的摩尔分数，数值的范围是：0.0 ≤ x≤ 0.3；掺杂元素以氧化物或碳酸盐为原料加入)进行称量、配料，放于聚氨酯球磨罐中，以无水乙醇为分散介质，用行星球磨机球磨8~24小时后，转速为150~250rpm，在烘灯下烘烤1到2小时，然后在程序控温箱式炉中升温至850℃，保温6小时，得到铌酸钾钠基陶瓷粉体。

(2) 造粒压片

在上述烘干的粉体中加入浓度为5~10wt%的聚乙烯醇溶液充分混合后进行造粒，然后在压强为10~15 MPa下压制成直径10~12 mm、厚度为0.8~1.2mm的锆酸铋钠锶掺杂铌酸钾钠基陶瓷圆片。

(3) 排胶烧结

将上述铌酸钾钠基陶瓷圆片在温度800～900℃排胶，然后在温度1050℃～1150℃烧结3~5小时制成锆酸铋钠锶掺杂铌酸钾钠基陶瓷圆片。