一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术公开一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法，属于功能材料领域。该材料的化学组成式可表示为（１－ｘ）（Ｌｉ↓［０．０６］Ｎａ↓［０．５２］Ｋ↓［０．４２］）ＮｂＯ↓［３］＋ｘＲＯ，其中０≤ｘ≤０．０２，ＲＯ为金属氧化物。严格控制烧结温度和升温速率，采用两步烧结法制备铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料，第一步以３０℃／ｍｉｎ升温到８５０～９５０℃，第二步以１０℃／ｍｉｎ升温到１０５０～１１５０℃，保温２～１０ｍｉｎ，然后以２０℃／ｍｉｎ降至９５０～１０５０℃，保温１０～２０ｈ，随后降至室温。得到新型压电陶瓷材料。其压电常数ｄ↓［３３］较传统烧结工艺提高１０～２０％。

A preparation method of potassium sodium niobate based lead-free piezoelectric ceramics

The invention discloses a potassium sodium niobate based lead-free piezoelectric ceramics and preparation method thereof, belonging to the field of functional materials. The chemical composition of material type can be expressed as (1-x) (Li: 0.06 Na: 0.52 K: 0.42) NbO: 3 XRO, 0 = x = 0.02, RO is a metal oxide. Strict control of sintering temperature and heating rate, the two step sintering preparation of sodium potassium niobate based lead-free piezoelectric ceramics, the first step to 30 DEG C / min heating to 850 to 950 DEG C, the second step to 10 DEG C / min heating to 1050 to 1150 DEG C, holding 2 ~ 10min, and then to 20 DEG C / min to 950 to 1050 DEG C, holding 10 ~ 20h, then to room temperature. A new type of piezoelectric ceramic material is obtained. The piezoelectric constant D decreases 33 compared to the traditional sintering process increases from 10 to 20%.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于功能材料领域，涉及，具体 涉及一种氧化物RO (R为Mg、 Ca、 Ba、 Sr中的一种)掺杂改性的(Li, Na, K)Nb03(LNKN)铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料及其制备工艺。
技术介绍
压电陶瓷材料自从20世纪40年代问世以来就引起人们的极大关注，目前其应用已 遍及社会的各个领域及人们生活的各个方面。随着科技的进步，人们对材料的要求已 不仅仅局限于其性能的优劣，生态环境的恶化迫使人们将目光投向材料的环境效应。 在压电陶瓷发展进程中，目前应用最广泛、性能最好的是铅基压电陶瓷(PZT)，然而 此类材料中含PbO和Pb3O4的量在60X以上，在制备、使用、废弃过程中对人类及生态 环境造成严重的危害，因此研究和开发性能优异的无铅压电陶瓷，替代传统铅基压电 陶瓷，意义深远且十分迫切。目前人们已开发出多种无铅压电陶瓷，BaTi03是最早发现的典型的无铅压电材料， 对其研究也比较成熟，但由于其居里点低及烧结温度高限制了其应用。铌酸钾钠基无 铅压电陶瓷，因其具有高的居里温度和优异的压电性能，被认为是最有前途取代铅基 压电陶瓷的材料之一。Y. Guo, et al用普通烧结法通过Li取代，制得了压电常数^33达 235pC/N，平面机电耦合系数^为44%,居里温度高于45(TC的Nao.5Ko.5Nb03-LiNb03 陶瓷(Appl. Phys. Lett. 2004, Vol 85， P4121~4123)。 Saito, et al在KNN陶瓷的基础上对其 同时进行了A位Li掺杂和B位Ta、 Sb惨杂，利用传统工艺得到了^为300pC/N的陶瓷， 经过织构化处理后^3更是超过了400pC/N (Nature. 2004, Vol 432， P84~87)，是目前仅 有的两种能够与商用PZT系陶瓷匹敌的无铅压电陶瓷之一。但是，织构化陶瓷制作工 艺非常复杂，距离实用化还有一段距离。对于铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，人们大多通过掺杂改性来制备多元系陶瓷材料， 而通过改善其制备方法来优化其性能的则比较少。专利CN1644562A公开了放电等离 子体烧结法制备工艺，其特征在于烧结温度低，时间短，材料致密度高，但所制备的 材料的压电性能并不高，^3只有80 pC/N;专利CN1810711A和CN1699280A提出一种 埋粉烧结方法及阶梯式极化工艺，其特点是烧结时将陶瓷生坯埋在相同成分的粉体中，以防止易挥发成分钾钠的挥发，此法取得了一定效果，所制无铅压电陶瓷^3可达120 pC/N;专利CN1702055A采用织构法制备无铅压电陶瓷材料，压电性能有所提高，南3 可达123pC/N，但制备工艺较复杂。专利CN1935745A公开了双层坩埚法制备工艺，此方法比较有效的解决了铌酸盐压电陶瓷材料烧结过程中碱金属的挥发问题，"33可达196pC/N,其他性能也有所改善。到目前为止，关于铌酸钾钠基陶瓷体系的制备方法的改进，大多局限于在防止碱金属的挥发问题上做文章，在如何改进其烧结工艺方面还很少报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是用不复杂的烧结工艺制备出压电性能优异的无铅压电陶瓷材料， 与传统烧结法相比，节省了能源，降低了成本，加快了无铅压电陶瓷材料的实用化进 程。传统烧结法制备铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的具体步骤如下-1. 按通式(l-x)(Lio.o6Nao.52Ko.42)Nb03+xRO (其中0^x^0.2' R为Mg、 Ca、 Ba、 Sr 中的一种)的化学计量比称量原料；2. 将配料和少量无水乙醇放入氧化铝球磨罐中，罐内装氧化铝球为球磨介质，用行 星式球磨机混料3 10h，转速为100 250rpm;3. 将配料放进干燥箱中，10(TC保温10h;4. 干燥好的粉料放入烧结炉中，缓慢升温至700 80(rC，保温3 6h，预烧合成铌酸 盐粉体；5. 预烧后的铌酸盐粉体再次用行星式球磨机球磨4h，然后放入燥箱中，10(TC保温5 h;6. 干燥好的粉料加入粘结剂，充分混合均匀，压制成型后在500 70(TC排胶0.5 2h;7. 将生坯圆片冷却到室温后，按3(TC/min升温到950 115(TC，保温3 5 h，然后降至室温；将烧结好的陶瓷片焙银，极化后测试电学性能。一种制备铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备方法，无铅压电陶瓷化学组成式为(l-x)(Li0.06Na0.52K0.42)NbO3+xRO，其中0^x芸0.2， RO为金属氧化物，R为Mg、 Ca、 Ba、 Sr中的一种。其特征是制备步骤中烧结环节是采用两步烧结法，两步烧结法制备 铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的具体步骤如下1.按通式(l-x)(Li瞎Nao.52K,)Nb03+xRO (其中0^x^0.2， R为Mg、 Ca、 Ba、 Sr中的一种)的化学计量比称量原料； 2. 将配料和少量无水乙醇放入氧化铝球磨罐中，罐内装氧化铝球为球磨介质，用行 星式球磨机混料3 10h，转速为100 450rpm;3. 将配料放进干燥箱中，100'C保温10h;4. 干燥好的粉料放入烧结炉中，缓慢升温至700~800°C，保温3 6h，预烧合成铌酸 盐粉体；5. 预烧后的铌酸盐粉体再次用行星式球磨机球磨4h，然后放入燥箱中，10CTC保温5h;6. 干燥好的粉料加入粘结剂，充分混合均匀，压制成型后在500 70(TC排胶0.5 2h;7. 将生坯圆片冷却到室温后，按3(TC/min升温到8500 950°C，再按l(TC/min升温 到1050 U50。C，保温2 10min，然后以20°C/min降至950 1050°C ，保温10 20 h，随后冷却至 室温；8. 将烧结好的陶瓷片焙银，极化后测试电学性能。所用原料为Na2C03(99.8%)， K2C03(99.5%)， Li2C03(99,5%)， Nb205(99.9%)， MgO(98%)， CaO(98%)， BaO(98。/。)及SrO(98%)。上述方法制备的无铅压电陶瓷采用的测试条件为(a) 压电常数"33的测试用中国科学院声学研究所研制的ZJ-3AN型准静态&3测量仪测得；(b) 机电耦合系数kp的测试用美国HP公司研制的4194A型阻抗分析仪，通过谐振 一反谐振法测得；(c) 介电常数和介质损耗tan5测试用美国HP公司研制的4194A型阻抗分析仪在lkHz下测得样品的电容Cp和介电损耗，通过公式 &=4xCpXt/7l><￡^xd求出￡■r(d) 密度p (g/cm3)的测试用体积法测量其密度。 本专利技术制备的压电陶瓷具有优异的压电铁电性能，其压电常数&3较传统烧结工艺提高10 20%。且致密均匀，具有实用性。同时制备工艺简单易行，稳定性、重复性 好。附图说明图1是(l-x)(Li謹Nao.52Ko.42)Nb03+xMgO(其中0^x^0.20)无铅压电陶瓷的电滞回 线图，从图可以看出所制备的无铅压电陶瓷具有优异的铁电性能。具体实施例方式下面以具体实例对本专利技术做进一步的详细说明。 实施例一将纯度99.8%的Na2C03，纯度99.5%的K2C03，纯度99.5%的Li2C03，纯度99.9% 的Nb205，按化学式(Li謹Nao.52Ka42)Nb0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备方法，化学组成式为：（１－ｘ）（Ｌｉ↓［０．０６］Ｎａ↓［０．５２］Ｋ↓［０．４２］）ＮｂＯ↓［３］＋ｘＲＯ，其中０≤ｘ≤０．０２，ＲＯ为金属氧化物，Ｒ为二价金属离子：Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ中的一种，其特征在于采用两步烧结法制备铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，具体工艺流程如下：（１）按通式（１－ｘ）（Ｌｉ↓［０．０６］Ｎａ↓［０．５２］Ｋ↓［０．４２］）ＮｂＯ↓［３］＋ｘＲＯ（其中０≤ｘ≤０．０２，Ｒ为Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ中的一种）的化学计量比称量原料；（２）将配料和少量无水乙醇放入氧化铝球磨罐中，罐内装氧化铝球为球磨介质，用行星式球磨机混料３～１０ｈ，转速为１００～４５０ｒｐｍ；（３）将配料放进干燥箱中，１００℃保温１０ｈ；（４）干燥好的粉料放入烧结炉中，缓慢升温至７００～８００℃，保温３～６ｈ，预烧合成铌酸盐粉体；（５）预烧后的铌酸盐粉体再次用行星式球磨机球磨４ｈ，然后放入干燥箱中，１００℃保温５ｈ；（６）干燥好的粉料加入粘结剂，充分混合均匀，压制成型后在５００～７００℃排胶０．５～２ｈ；（７）将生坯圆片冷却到室温后，按３０℃／ｍｉｎ升温到８５０～９５０℃，再按１０℃／ｍｉｎ升温到１０５０～１１５０℃，保温２～１０ｍｉｎ，然后以２０℃／ｍｉｎ降至９５０～１０５０℃，保温１０～２０ｈ，随后冷却至室温；（８）将烧结好的陶瓷片焙银，极化后测试其电学性能。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张波萍，李海涛，尚鹏鹏，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]