[发明专利]一种高稳定的无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高稳定的无铅压电陶瓷，所述无铅压电陶瓷的化学式如下：(1‑x‑y)(0.50KNbO₃‑0.50NaNbO₃)‑xMgTiO₃‑yBa(Zr_0.5Ti_0.5)O₃+zSm₂O₃；其中，x＝0.03～0.07，y＝0.04～0.08，z＝0.008～0.02。该无铅压电陶瓷采用一种工艺简单、高效率、低能耗、成本低廉且很具实用性的无铅压电陶瓷的制备方法，制得的KNN‑MT‑BZT无铅压电陶瓷烧后的晶粒为菱形，而且晶粒平均晶粒为3微米，取代之前的KNN体系的烧后的四方形晶粒，密度更高，性质稳定、致密、性能良好。

技术领域

本发明涉及钙钛矿结构无铅压电陶瓷技术领域，尤其是涉及一种高稳定的无铅压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷及压电陶瓷器件已广泛地应用于工业特别是信息产业领域。以锆钛酸铅(Pb(Ti，Zr)O₃)为代表的铅基二元系和以锆钛酸铅(Pb(Ti，Zr)O₃)为基、添加第三组元如以铌镁酸铅(Pb(Mg1/3Nb_2/3)O₃)、锑锰酸铅Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃为代表的铅基三元系压电陶瓷具有优良的压电铁电性能、高的居里温度。工业生产中应用的压电陶瓷绝大多数是该类钙钛矿铅基压电陶瓷。

但是，铅基压电陶瓷中，PbO或Pb₃O₄的含量约占原料总质量的65％。铅污染已成为人类公害之一。铅基压电陶瓷在生产、使用及废弃后处理过程中给人类及生态环境造成严重危害，不利于人类社会的可持续发展。近年来，开发不含铅的、性能优越的压电陶瓷体系受到世界各国特别是欧美、日本、韩国以及中国的日益重视。

目前广泛研究的无铅压电陶瓷体系有四类：铋层状结构无铅压电陶瓷、BaTiO₃基无铅压电陶瓷、Bi_0.5Na_0.5TiO₃基无铅压电陶瓷及K_0.5Na_0.5NbO₃碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷。其中KNN系无铅压电陶瓷因具有介电常数小、压电性能高、频率常数大、密度小、居里温度高等特点，成为当前最有可能取代铅基压电陶瓷的体系之一。然而，传统工艺获得KNN压电陶瓷有以下的缺点：(1)在1140℃以上，KNN会出现液相，所以KNN的温度稳定性被限制在1140℃以下。(2)由于在900℃左右Na和K会以氧化物Na₂O和K₂O形成开始挥发，造成预烧和烧结的气氛很难控制；(3)KNN在潮湿的环境时非常容易发生潮解，使化学计量发生偏离，导致产生杂相，使陶瓷难以烧结致密。上述原因都限制了KNN体系材料的实际应用。

为了优化KNN基无铅压电陶瓷的结构，提高KNN基陶瓷的压电性能，各国学者从添加烧结助剂、A位和B位掺杂取代、添加新组元等方面对KNN基无铅压电陶瓷进行了大量研究；同时，结合热压、放电等离子、热等静压烧结等工艺方法，以期获得致密的KNN陶瓷；然而上述制备方法对设备要求过高、生产工艺苛刻、生产成本较高、材料尺寸受到限制，而且制得的陶瓷的稳定性也不能令人满意，因此难以获得工业化应用。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述技术问题，本发明的第一目的在于提供一种高稳定的无铅压电陶瓷，所述无铅压电陶瓷的化学式如下：(1-x-y)(0.50KNbO₃-0.50NaNbO₃)-xMgTiO₃-yBa(Zr_0.5Ti_0.5)O₃+zSm₂O₃；其中，x＝0.03～0.07，y＝0.04～0.08，z＝0.008～0.02。