本发明专利技术涉及一种无铅压电铌酸钾钠基光-电多功能材料及制备方法，属于发光材料技术领域。利用稀土离子与金属离子间的协同组合作用，显著提高无铅压电铌酸钾钠基材料的荧光和压电性能。本发明专利技术包括以下质量百分比的组分：(K0.5Na0.5)1-y-xMyLnxNb1-yTiyO3，其中Ln为选自Sm，Pr,Eu的至少之一，M为金属元素Ca，Sr，Ba中的一种或多种离子；x的取值范围：0<x≤0.05；y的取值范围：0<y≤0.2。本发明专利技术具有钙钛矿结构的(K0.5Na0.5)NbO3（KNN）基质材料中掺入一定量的稀土元素实现的。同时，通过加入具有相同结构的铁电材料MTiO3（M=Ca，Sr,，Ba）与KNN形成固溶体使得材料具有优越的发光性能。因此，该多功能材料除了自身具有压电、铁电性能的同时，还具有蓝光激发的光致发光特性，在光-电集成器件领域有着潜在的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术具体涉及一种新型无铅压电铌酸钾钠基光-电多功能材料及制备方法，属于信息功能陶瓷材料领域。
技术介绍
随着新一代电子信息技术的高速发展，以信息功能材料为核心的元器件正向小型化、集成化、多功能化、智能化方向发展。与此相应的信息功能材料面临着新的挑战，迫切要求材料研究者在深入研究和不断改善材料固有物性的同时积极探索并拓展其新的功能，即开发材料的多功能特性，从而拓宽其应用领域。压电、铁电材料作为典型的多场耦合材料（机械能和电能）已经广泛应用于各种智能结构及传感器和驱动器等器件中，而随着微机电和纳机电系统的发展，压电材料的多功能化越来越受到人们的重视。开发和探究以此为基体的新型多功能化材料成为近年来该研究领域的一个热点。目前，国内外研究者通过引入稀土元素不仅能有效调控压电铁电材料的电学性能，而且由于稀土元素特殊的电子层结构使其能够作为荧光材料的发光中心或者敏化剂，而使压电铁电材料具有荧光特性，从而赋予了压电材料新的物理性质，引发了若干新的、有意义的物理现象，使其在新型多功能集成发光-压电铁电器件领域具有良好的应用前景。 然而，在现有的研究中，基于无铅压电材料光-电多功能化方面的研究还处于初级阶段，无论是压电材料的光-电性能的改善，还是光-电二者之间的内在关联均有待于进一步深入研究。目前仍然存在不少问题亟待解决，如：低的压电性能和发光效率，使得压电基体与稀土发光中心之间弱的耦合作用，难以满足新型光电集成器件的性能要求，严重制约着光电集成器件的实用化近程，因此，提高具有高压电性能的铌酸钾钠[(K0.5Na0.5)NbO3 (KNN)]（居里温度=420 oC，室温下压电系数=80 pC/N，机电耦合系数=36%）基无铅压电材料的发光效率成为具有重要生产实践意义的问题。对于发光材料而言，当选择合适的元素对A位或B位离子进行替代，可以提高其发光性能，如Ryu H(Acta Materialia, 2008, 56 (3): 358-63)等人采用对SrTiO3:Pr3+荧光粉的A位离子Sr用Mg和Zn替代，发现替代后的SrTiO3:Pr3+荧光粉的发光性能得到显著提高； Wang X S (Japanese Journal of Applied Physics, 2005, 44: 912-914)等人通过对CaTiO3:Pr3+荧光粉的A位离子Ca用Ba和Sr进行取代，提高了其发光性能，其中用Sr取代后的荧光粉Ca0.7Sr0.3TiO3:Pr3+的发光强度是 CaTiO3:Pr3+的192%。结合上面的分析，单一的Ca2+、Sr2+、Ba2+的引入能提高材料发光性能。在稀土掺杂的KNN基体中，如果将具有相同结构的MTiO3（M=Ca，Sr，Ba）铁电材料引入到KNN基体中，形成固溶体，在准同型相界（MPB）附近其压电性能将得到增强的同时，又可以实现A、B位离子的共同取代，从而达到进一步提高稀土掺杂KNN基材料的发光性能。根据目前所调研的数据，到目前为止并没有关于如何获得高效率的KNN基无铅压电发光材料类的相关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能有效增强铌酸钾钠基无铅压电发光材料及制备方法，在一定程度上解决上述所存在的问题。为解决上述技术问题，本专利技术利用不同离子间的组合作用，采用如下技术方案：在稀土掺杂的KNN钙钛矿结构基质中引入具有同样结构的压电材料，如：CaTiO3、SrTiO3、BaTiO3，二者形成固溶体。通过同时调控钙钛矿结构ABO3中A位和B位的离子替代来获得高效率的发光特性，其化学成分通式可以表示为：(1-y)(K0.5Na0.5)1-xLnxNbO3+yMTiO3，其中Ln为选自Sm，Pr, Eu的至少之一，M为金属元素Ca，Sr，Ba中的一种或多种离子；x的取值范围：0<x≤0.05；y的取值范围：0<y≤0.2。由此可以进一步提高稀土掺杂KNN基压电材料的发光强度。 与现有的技术相比，本专利技术稀土掺杂铌酸钾钠基无铅压电发光材料中，采用具有相同钙钛矿结构的铁电材料（CaTiO3、SrTiO3、BaTiO3）与KNN基体形成固溶体，通过Ca2+、Sr2+、Ba2+对A位Na+、K+和Ti4+对Nb5+复合取代，进行协同组合改性，该陶瓷材料在保持了优良的压电铁电性能的同时，还具有高的发光特性。与未加入MTiO3的压电陶瓷材料相比，其发光性能提高了约200%。 进一步的，所述的稀土掺杂铌酸钾钠基无铅压电发光材料具有但不限于下列之一所示的化学组成：(K0.5Na0.5)0.968Ca0.03Pr0.002Nb0.97Ti0.03O3；(K0.5Na0.5)0.948Ca0.05Pr0.002Nb0.95Ti0.05O3；(K0.5Na0.5)0.898Ca0.10Pr0.002Nb0.90Ti0.10O3；(K0.5Na0.5)0.798Ca0.20Pr0.002Nb0.80Ti0.20O3；(K0.5Na0.5)0.968Sr0.03 Pr0.002Nb0.97Ti0.03O3；(K0.5Na0.5)0.948Sr0.05Pr0.002Nb0.95Ti0.05O3；(K0.5Na0.5)0.898Sr0.10Pr0.002Nb0.90Ti0.10O3；(K0.5Na0.5)0.798Sr0.20Pr0.002Nb0.80Ti0.20O3；(K0.5Na0.5)0.968Ba0.03Pr0.002Nb0.97Ti0.03O3；(K0.5Na0.5)0.948Ba 0.05Pr0.002Nb0.95Ti0.05O3；(K0.5Na0.5)0.898Ba 0.10Pr0.002Nb0.90Ti0.10O3；(K0.5Na0.5)0.798Ba 0.20Pr0.002Nb0.80Ti0.20O3。本专利技术提出了一种制备无铅压电铌酸钾钠基光-电多功能材料的制备方法，并由所述方法获得了预料不到的技术效果，显著增强的发光性能和高的压电性能，具体包括如下步骤：（1）根据上述化学式：(K0.5Na0.5)1-y-xMyLnxNb1-yTiyO3中各金属元素的摩尔比，分别称取各金属元素的氧化物或碳酸盐，置于尼龙球磨罐中，加入氧化锆球和无水乙醇球磨20～24小时，出料烘干后过200目筛，获得均匀混合的粉体；（2）将步骤（1）中获得的混合粉体，在800 oC～950 oC预烧6-8小时，研磨后的粉体再次加入无水乙醇，二次球磨；（3）烘干步骤（2）中二次球磨后的粉料，采用8～10％的聚乙烯醇（PVA）作为粘结剂对上述复合粉料进行造粒，在10～100 MPa压力下，通过成型模具压制成所需尺寸大小的陶瓷生坯片。（4）将步骤（3）中获得的陶瓷生坯片经过550 oC的排粘处理后，在1100 oC～1230 oC下保温2～4小时，即可得到所述的无铅压电发光材料。优选的，步骤（1）其中氧化锆球与球磨料的质量比为1.2～1.5；无水乙醇或去离子水与球磨料的质量比为1.5～3.0。本专利技术是采用传统的电子陶瓷制本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种无铅压电铌酸钾钠基光‑电多功能材料，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：制备(K0.5Na0.5)1‑y‑xMyLnxNb1‑yTiyO3，其中Ln为选自Sm，Pr，Eu的至少之一，M为金属元素Ca，Sr，Ba中的一种或多种离子；x的取值范围：0<x≤0.05；y的取值范围：0<y≤0.2。
【技术特征摘要】
1.一种无铅压电铌酸钾钠基光-电多功能材料，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：制备(K0.5Na0.5)1-y-xMyLnxNb1-yTiyO3，其中Ln为选自Sm，Pr，Eu的至少之一，M为金属元素Ca，Sr，Ba中的一种或多种离子；x的取值范围：0<x≤0.05；y的取值范围：0<y≤0.2。
2.根据权利要求1所述的一种无铅压电铌酸钾钠基光-电多功能材料，其特征在于：所述(K0.5Na0.5)1-y-xMyLnxNb1-yTiyO3为(K0.5Na0.5)0.968Ca0.03Pr0.002Nb0.97Ti0.03O3或(K0.5Na0.5)0.948Ca0.05Pr0.002Nb0.95Ti0.05O3或(K0.5Na0.5)0.898Ca0.10Pr0.002Nb0.90Ti0.10O3或(K0.5Na0.5)0.798Ca0.20Pr0.002Nb0.80Ti0.20O3或(K0.5Na0.5)0.968Sr0.03Pr0.002Nb0.97Ti0.03O3或(K0.5Na0.5)0.948Sr0.05Pr0.002Nb0.95Ti0.05O3或(K0.5Na0.5)0.898Sr0.10Pr0.002Nb0.90Ti0.10O3或(K0.5Na0.5)0.798Sr0.20Pr0.002Nb0.80Ti0.20O3或(K0.5Na0.5)0.968Ba0.03Pr0.002Nb0.97Ti0.03O3或(K0.5Na0.5)0.948Ba0.05Pr0.002Nb0.95Ti0.05O3或(K0.5Na0.5)0.898Ba0.10Pr0.002Nb0.90Ti0.10O3或(K0.5Na0.5)0.798Ba0.20Pr0.002Nb0.80Ti0.20O33中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种无铅压电铌酸钾钠基光-电多功能材料，其特征在于：所述(K0.5Na0.5)1-y-xMyLnxNb1-yTiyO3为(K0.5Na0.5)0.968Ca0.03Pr0.002Nb0.97Ti0.03O3，所述材料具有正交钙钛矿结构晶型。
4.根据权利要求1所述的一种无铅压电铌酸钾钠基光-电多功能材料，其特征在于：所述(K0.5Na0.5)1-y-xMyLnxNb1-yTiyO3为(K0.5Na0.5)0.898Ca0.1Pr0.002Nb0.9Ti0.1O3，所述材料具有四方钙钛矿结构晶型。
5.根据权利要求1所述的一种无铅压电铌酸钾钠基光-电多功能材料，其特征在于：所述(K0.5Na0.5)1-y-...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙海勤，张奇伟，张涛，张胤，
申请(专利权)人：内蒙古科技大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古;15
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