[其他]钛酸铋钠钾系超声用的压电陶瓷材料

说明书

本发明是属于压电陶瓷材料，该压电材料具有高 的厚度耦合系数(K_t)、高的厚度振动频率常数(N_t)、 较低的径向耦合系数(K_p)和介电常数低的体 积密度和机械品质因数。特别适合用作超声换能器 材料。

目前广泛应用的压电陶瓷材料是以锆钛酸铅 (PZT)为基的，它是以PbO为主要成份。尽管采用 密封烧结法，但因PbO挥发，所以烧成的产品一致性 差、成本高。特别是铅的毒性带来公害和增加防护费 用。另外PZT基陶瓷的K_p大于(K_t)，较高，作为 超声探伤、测厚和医用超声探头容易产生横向振动的 干扰使波形或图像不清晰，偏高则增加与整机匹 配的困难。

为此，寻找一种不含有铅成份而具有较低的 K_p和新压电陶瓷材料显得极为重要。1971年B. Jaffe等和1973年田中哲郎各自发表了Na_0.5Bi_0.5TiO₃(NBT)和K_0.5Bi_0.5TiO₃(KBT)单组元陶瓷的压 电铁电数据，以后又有人研究了 NBT-SrTiO₃、 NBT-CdTiO₃系固溶体的晶体结构但未获得有实 用价值的压电材料。

本发明的目的在于提供一种新的完全不含铅成 份的压电陶瓷系统，这类材料具有高的K_t、N_t和大的 K_t/K_p比值，较低的K_p和低的体积密度和机械 品质因数。

本发明提供的新压电陶瓷材料系统组成为：

XNa_0.5Bi_0.5TiO₃-(1-X)K_0.5Bi_0.5TiO₃(简写 为XNBT-(1-X)KBT)(其中X＝0.80～0.99 富钠区)同时加入少量改性添加物，它们或分别添加 0.1～3％(重量)的MnO₂、Fe₂O₃、Sb₂O₂、Pb(BO₂) ₂·H₂O等化合物，或同时添加上述化合物中的任意 两种。最佳组成是X＝0.85～0.93，同时加入少量 改性添加剂。

用化学纯或工业用TiO₂、Bi₂O₃、无水Na₂CO₃、 无水K₂CO₃和化学纯的上述添加物作原料，按配方 称料，加无水酒精球磨混和6小时烘干后在 900～1100℃保温2～5小时条件下合成，合成后 粉料(熟料)用气流粉碎或球磨磨细，加粘结剂干压成 型、试样在1100～1200℃大气中敞开烧结，保温 2～4小时，然后研磨成φ17×1mm的试样，被银极 化，按IRE标准，测定试样的压电性能。表1列出 了8个不同X值的配方及其性能。表2列出了典型 配方的各种铁电、压电性能。

从表1可以看出，XNBT-(1-X)KBT系富 钠区压电陶瓷材料的共同特点是，具有高的厚度振动 耦合系数K_t，高的厚度振动频率常数N_t和较高的居 里温度T_c，低的径向耦合系数K_p，较低的介电系数 和低的体积密度。对该系统的X射线和电物理性 能研究发现，NBT-KBT系的三方一四方相界位 于NBT含量为0.81克分子处。