[发明专利]一种无铅压电陶瓷材料的制备方法

说明书

本发明属于无铅压电陶瓷材料及其制备方法技术领域，尤其涉及一种无铅压电陶瓷材料的制备方法，目的就是提供一种经济有效、无铅污染的制备铌酸钾钠(KNN)压电陶瓷的方法。通过固相合成法制备KNN‑xCZ陶瓷，经过预烧、破碎、球磨之后，晶粒尺寸尺寸分布变得均匀，致密度提高，CaZrO₃的引入使Tc与T_0‑T低温方向移动，造成在室温附近的O‑T相共存，弛豫程度不断增加，当x=0.03时具有最佳的电学性能:压电常数d₃₃=442pC/N，居里温度Tc=245°C，这主要得益于该组分具有O‑T共存的PPB，导致在外电场下畴壁运动与电畴翻转更加容易翻转，压电性能得以增强，本发明优化了材料的压电介电性能，并且优化了无铅压电陶瓷的工业化制备方法。

技术领域

本发明属于无铅压电陶瓷材料及其制备方法技术领域，尤其涉及一种无铅压电陶瓷材料的制备方法。

背景技术

21世纪的科技迎来了高速发展的浪潮，新型的铁电、压电陶瓷材料被广泛地应用于微位移器、致动器、信号发生器、压电换能器等诸多领域，压电陶瓷是一类重要的功能材料，具有电信号和机械应变互相转化的特殊性能，其中，锆钛酸铅(PZT)为主的铅基压电陶瓷，锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷具有高压电常数d33(200～750pC/N)和高居里温度(Tc)(180～320℃)，因而，在传感器、执行器及超声变换器等方面得到了广泛应用，因其优异的综合性能在实际应用中占据主导地位。

然而，但高达60％的含铅量将带来环境负担，故必须开发无铅压电材料，尤其是高性能的无铅压电材料，钙钛矿无铅压电陶瓷有钛酸钡(BT)、碱金属铌酸盐系(KNN)、钛酸铋钠系(BNT)三大无铅压电材料均具有优良的性能，并得到深入的研究，尤其是其中碱金属铌酸盐系的KNbO3及NaNbO3具有较高的压电常数，较高的机电耦合系数，较高的品质因数和高的居里温度，因此，在过去10多年里成为无铅压电材料的研究热点，且已成为当今新材料的研究前沿，具有广泛的应用空间和研究价值。

铌酸钾钠(KNN)压电陶瓷是三大无铅压电材料中的一种，由于其结构的特殊性，在通电后能够进行电能及机械能的转换，虽然其机理和性能还没有确定的报道，但在精密传感器和医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等方面具有广泛应用，在2004年Saito等通过Li、Ta、Sb共掺杂制备KNN基织构化陶瓷，具有超高的压电性能(d33达416pC/N)引起了学者的广泛关注(Saito Y，Takao H，Tael T，et al.Lead-free piezo ceramics[J]-Nature，2004，432:8437.)，此后，学者通过离子掺杂或引入ABO3型结构钙钛矿第二组元构建多相共存的多晶型相界(polymorphic phase boundary PPB)以提高KNN陶瓷的压电性能，其中，正交-四方相界(orthorhombic-tetragonal O-T)的构建被广泛采用，压电性能得到了很大提高，Guo等研究LiNbO3掺杂KNN陶瓷，得到具有O-T共存的PPB最大d33达415pC/N(Guo Y P，Kakimoto K I，Ohsato H.Phase transitional behavior and piezoelectricproperties of NbO3-LiNbO3 ceramics[J]-Applied Physics Letters，2004，85:41215123.)，Wang等研究了CaZrO3改性KNN基无铅陶瓷的电致应变性能，得到了较高的压电性能，在室温下的单极应变达0.16％，然而Tc仅200℃限制了其实际应用(Wang K，Yao F Z，Jo W，et al.Temperature-insensitive(K，Na)NbO3-based lead-free piezoactuatorceramics[J]-Advanced Functional，Materials，2013，23：40795086.)，本申请的发明人对铌酸钾钠(KNN)压电陶瓷的文献综述(任豆豆，赵林，马健，等.ABO3型化合物掺杂KNN基无铅压电陶瓷的研究进展[J].现代技术陶瓷，2015(6):47-53.已经表明，大多数研究工作都是借助固相合成法来制备钛酸钡(BT)及钛酸铋钠系(BNT)为主的铅基压电陶瓷，使用此方法制备铌酸钾钠(KNN)还未涉及，并且，利用CaZrO3掺杂改良压电陶瓷性能，并结合改性PVA制备铌酸钾钠(KNN)压电陶瓷的方法也未见报道。