[发明专利]温度稳定型铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明提出了一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法和应用；本发明通过微调Li、Sb、BaZrOsubgt;3/subgt;和(Nasubgt;0.5/subgt;Bisubgt;0.5/subgt;)HfOsubgt;3/subgt;，形成具有不同的“正交‑四方”相变温度的单元组分，再将其按照一定比例，均匀混合构建成掺杂元素梯度分布的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。在25～150℃较宽温度范围内，该陶瓷具有大于500 pC/N的高压电性能和压电系数变化率小于15％的良好温度稳定性。本发明采用传统固相法工艺，与目前工业化生产陶瓷工艺相同，不需要任何工艺改造成本。本发明为设计温度稳定型的高性能压电材料提供了一种新技术。

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

压电材料具有良好的机电耦合性能，在机器人、生物医学工程、通信等领域广泛应用。许多应用通常被要求在很宽的工作温度范围内使用，例如，爆震传感器和陀螺仪传感器的工作温度范围分别为40～180℃和250～500℃。因此，在实际应用中为保证压电材料在较宽的温度范围内实现稳定的传感输出，需要同时提高压电性能与温度稳定性。锆钛酸铅基陶瓷具有优异的压电性能和超高温稳定性，几十年来一直占据全球压电材料市场的领先地位。然而，出于环境和人类健康的考虑，急需开发与铅基压电陶瓷性能相当的替代品。

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷具有较高居里温度，通过在室温附近构建多相共存表现出优异的压电性能，使其成为最有前途的替代材料之一。然而，铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的相界具有很强的压电温度依赖性，当环境温度偏离相变温度时，铌酸钾钠基陶瓷的压电性能迅速下降，导致温度稳定性变差。授权专利CN113666744通过流延法制备出在25～100℃温度范围内压电性能维持在300～340pC/N的多层陶瓷。但流延法制备工艺复杂、生产成本较高，压电性能也从520pC/N降低到330pC/N。申请专利2022100366775通过传统固相法制备的多层陶瓷在宽温度范围内维持了良好的压电性能。虽然固相法制备多层陶瓷的工艺简单、同时具有较好的压电性和温度稳定性，但在烧结过程易出现分层裂纹现象。因此，铌酸钾钠基陶瓷在压电市场中被广泛应用的制备技术仍有待改进。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法和应用。

第一方面，本发明提出了一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其特征在于，其组分包括多种单元组分；

所述单元组分的化学通式为：

(1-z₁-z₂)(K_0.48-xLi_xNa_0.52)Nb_1-ySb_yO₃-z₁BaZrO₃-z₂(Na_0.5Bi_0.5)HfO₃

其中，x、y、z₁、z₂为摩尔分数，0≤x≤0.1，0≤y≤0.1，0≤z₁≤0.1，0≤z₂≤0.1。

作为本发明的具体实施方式，所述单元组分包括2～5种单元组分；所述各种单元组分的质量分数为0～50％。

例如，所述铌酸钾钠基无铅压电陶瓷包含选自以下单元组分中的至少两种：

(K_0.48Na_0.52)NbO₃、