用于结构化复合材料增强的压电性能的形状受控的陶瓷填料制造技术

技术编号:16932726 阅读:46 留言:0更新日期:2018-01-03 02:55
描述了一种无铅的锂掺杂的铌酸钠钾压电陶瓷材料,其为粉末形式且具有单晶相,及其应用。还描述了制造所述压电陶瓷材料的方法。

Shape controlled ceramic filler for the piezoelectric properties of structured composites reinforced

A lead-free lithium doped sodium niobate potassium niobate piezoceramic material, which is a powder form and has a single crystal phase, is described. A method for the manufacture of the piezoelectric ceramic material is also described.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于结构化复合材料增强的压电性能的形状受控的陶瓷填料相关申请的交叉引用本申请要求2015年4月1日递交的US临时专利申请62/141,513号的优先权权益,其全部内容在此通过引用并入本文。
本专利技术一般性地涉及具有单晶相的无铅的锂掺杂的铌酸钠钾压电颗粒。还公开了用于制备这些单晶相颗粒的两阶段煅烧方法。
技术介绍
压电材料用于医疗诊断工具、工业自动化过程以及防卫和通信系统的多种组件中。这些材料也可用于微电机、能量收集装置、磁电传感器和大功率变压器等新兴领域。压电特性可以在几种类型的材料和工程陶瓷中找到。例如,锆钛酸铅(PZT)陶瓷具有良好的压电性能和在组成变化方面良好的灵活性,以根据给定的应用对特性进行微调。然而,PZT材料中大量铅(60重量%氧化铅(PbO))的存在在过去十年中引起了人们的许多关注,这是由于环境问题以及针对有害物质如铅的政府法规。从而开展了开发具有高压电系数和机电耦合系数的无铅压电材料的广泛研究。在各种可能的材料选择中,最广泛研究的无铅系统是K1-xNaxNbO3(KNN)、Na0.05Bi0.5TiO3(BNT)和BaTiO3(BT)基材料。关于KNN陶瓷,许多组研究了这些陶瓷在x=0.5组成附近的晶体结构和压电和介电性能。x=0.5附近的组成由于其压电和介电性质而引起人们的兴趣,这归因于在两个正交晶相之间存在多形态相边界。此外,在A和B两个位点上使用掺杂剂已被用于改善KNN的压电性能。在一种情况下,例如,Li掺杂的KNN(K,Na)xLi1-xNbO3(以下称为LiKNN)陶瓷在正交和四方晶体结构的相边界处在0.05<x<0.07的范围内显示出特性(d33-235pC/N)的显著改善。然而,这些双相LiKNN结晶陶瓷的表现无法与PZT基陶瓷可比较。
技术实现思路
专利技术人已经作出进一步提高LiKNN陶瓷粉末的压电性能的发现。特别地,该解决方案在于生产无铅的锂掺杂的铌酸钠钾压电粉末,其具有具有明确的粒度和形态的单晶相。不希望受理论束缚,据信这些特征中的至少一个或两者有助于陶瓷的改进的压电性能,并且允许所述陶瓷成为PZT基陶瓷的商业上可行的替代方案。这些结构特征可以通过使用两阶段煅烧方法获得。据信第一阶段形成单相晶体结构,使得不存在第二结晶相。具有比第一阶段更低的温度和更长的处理时间的第二阶段有助于本专利技术的陶瓷粉末的粒度和形态。在本专利技术的一个方面,公开了一种无铅的锂掺杂的铌酸钠钾压电陶瓷材料,其为粉末形式和具有单晶相。陶瓷材料可以具有(K,N)xLi1-xNbO3通式,在特别优选的情况下,x可以是0.05<x<0.07。粉状单晶相陶瓷材料可以具有基本上立方体的颗粒形态。立方体颗粒形态可以是单轴立方体颗粒形态。陶瓷材料的特征可以在于基本上如图4所示的粉末X射线衍射图(见1000(3H)-950(10h))。陶瓷材料可以具有d10(μm)为1.5-2、d50(μm)为3.5-4,和/或d90(μm)为9-10的粒度分布。在特定情况下,陶瓷材料可以已经在975℃至1050℃的第一温度下煅烧2至4小时,和在875℃至小于975℃的第二温度下煅烧8至12小时。在一个优选的情况下,陶瓷材料可以在约1000℃的第一温度下煅烧约3小时,并且在约900至950℃,优选约950℃的第二温度下煅烧约10小时。陶瓷材料可以具有钙钛矿结构。在另一个实施方案中,公开了一种无铅压电复合材料,其包括:(a)本专利技术的无铅的锂掺杂的铌酸钠钾压电陶瓷材料中的任一种;和(b)聚合物基质,其中陶瓷材料分散在聚合物基质中。在一种情况下,复合材料包括5%至50%(体积)的陶瓷材料。聚合物基质可以是热固性聚合物基质。热固性聚合物基质的非限制性实例包括包含环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯、胶木、脲醛(duroplast)、脲-甲醛、邻苯二甲酸二烯丙酯、环氧乙烯基酯、聚酰亚胺、多氰脲酸酯的氰酸酯、二环戊二烯、酚醛、苯并噁嗪、其共聚物或其共混物。在特别优选的实施方案中,热固性聚合物基质是环氧树脂。环氧树脂可以包括二缩水甘油醚双酚A和聚氧丙烯二胺。在另一种情况下,聚合物基质可以是热塑性聚合物基质。热塑性聚合物基质的非限制性实例包括包含聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)族聚合物、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚(1,4-亚环己基环己烷-1,4-二羧酸酯)(PCCD)、二醇改性的聚对苯二甲酸环己基酯(PCTG)、聚(苯醚)(PPO)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯亚胺或聚醚酰亚胺(PEI)和它们的衍生物、热塑性弹性体(TPE)、对苯二甲酸(TPA)弹性体、聚(对苯二甲酸环己烷二亚甲基酯)(PCT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰胺(PA)、聚砜磺酸酯(PSS)、聚砜的磺酸酯、聚醚醚酮(PEEK)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯硫醚(PPS)、其共聚物或其共混物的那些。在优选的方面,热塑性聚合物基质可包括聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯(PC)族聚合物、其共聚物或其共混物。本专利技术的无铅压电复合材料可以包括(i)压电电荷常数(d33(pC/N))为10至14,优选约12;(ii)介电常数(ε33(-))为13至17,优选约为15;和/或(iii)压电电压常数(g33(mV.m/N))为90至110,优选约95至100,或更优选约98。复合材料可以成型为任何形式或模子类型。在一种情况下,例如,材料可以是膜或片的形式。复合材料可以构造为0-3复合材料或1-3复合材料。在本专利技术的另一方面,公开了制备本专利技术的无铅的锂掺杂的铌酸钠钾压电陶瓷材料中的任何一种的方法。该方法可以包括:(a)获得无铅的锂掺杂的铌酸钠钾压电前体材料;和(b)对所述前体材料进行煅烧程序,其包括:(i)第一煅烧步骤,其可以包括在975℃至1050℃的温度下煅烧所述前体材料2至4小时以获得第一煅烧材料;和(ii)第二煅烧步骤,其可以包括在875℃至小于975℃的温度下煅烧来自步骤(i)的第一煅烧材料8至12小时,以获得无铅的锂掺杂的铌酸钠钾压电陶瓷材料。所述前体材料可以包括K2CO3粉末、Na2CO3粉末、Li2CO3粉末和Nb2O5粉末的混合物,基本上由或由K2CO3粉末、Na2CO3粉末、Li2CO3粉末和Nb2O5粉末的混合物组成。第一煅烧步骤可以包括在约1000℃的温度下煅烧所述前体材料约3小时以获得第一煅烧材料,第二煅烧步骤可以包括在900℃至950℃,优选约950℃的温度下煅烧第一煅烧材料约10小时。在一种情况下,该方法可以包括在进行第二煅烧步骤之前将第一煅烧材料冷却至室温。冷却的第一煅烧材料可以在第二煅烧步骤之前或期间被研磨。在第二次煅烧步骤之后,可以将材料冷却至室温。生产的无铅的锂掺杂的铌酸钠钾压电陶瓷材料可以进行超声处理步骤。第一煅烧步骤可用于形成单晶相。第二煅烧步骤可用于形成小室(cubicle)颗粒形态。在本专利技术的上下文中,描述了32个实施方案。实施方案1描述了一种无铅的锂掺杂的铌酸钠钾压电陶瓷材料,其为粉末形式和具有单晶相。实施方案2是实施方案1的陶瓷材料,其具有下式(K,N)xLi1本文档来自技高网
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用于结构化复合材料增强的压电性能的形状受控的陶瓷填料

【技术保护点】
一种无铅的锂掺杂的铌酸钠钾压电陶瓷材料,其为粉末形式且具有单晶相。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.01 US 62/141,5131.一种无铅的锂掺杂的铌酸钠钾压电陶瓷材料,其为粉末形式且具有单晶相。2.根据权利要求1所述的陶瓷材料,其具有下式(K,N)xLi1-xNbO3,其中x为0.05<x<0.07。3.根据权利要求2所述的陶瓷材料,其中粉末单晶相陶瓷材料具有基本上立方体颗粒形态。4.根据权利要求3所述的陶瓷材料,其中所述立方体颗粒形态是单轴立方体颗粒形态。5.根据权利要求4所述的陶瓷材料,其具有d10(μm)为1.5-2、d50(μm)为3.5-4,和/或d90(μm)为9-10的粒度分布。6.根据权利要求1所述的陶瓷材料,其进一步特征在于基本上如图4所示的粉末X射线衍射图(见1000(3H)-950(10h))。7.根据权利要求1所述的陶瓷材料,其中所述材料已经在975℃至1050℃的第一温度下煅烧2至4小时,和在875℃至小于975℃的第二温度下煅烧8至12小时。8.根据权利要求7所述的陶瓷材料,其中所述材料已经在约1000℃的第一温度下煅烧约3小时,并且在约900至950℃,优选约950℃的第二温度下煅烧约10小时。9.根据权利要求1所述的陶瓷材料,其中所述陶瓷材料具有钙钛矿结构。10.一种无铅压电复合材料,其包含:(a)如权利要求1所述的无铅的锂掺杂的铌酸钠钾压电陶瓷材料中的任一种;和(b)聚合物基质,其中所述陶瓷材料分散在聚合物基质中。11.根据权利要求10所述的无铅压电复合材料,其包含5体积%至50体积%的陶瓷材料。12.根据权利要求10所述的无铅压电复合材料,其中所述聚合物基质是热固性聚合物基质。13.根据权利要求10所述的无铅压电复合...

【专利技术属性】
技术研发人员:里达·贝拉杰西·欧弗索·卡拉韦奥·弗雷斯卡思易卜拉欣·阿尔胡韦什尼耶什·K·詹姆斯西布兰德·万·德·兹瓦格纪伯伦·哈利克威廉·A·格伦
申请(专利权)人:沙特基础全球技术有限公司
类型:发明
国别省市:荷兰,NL

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