一种钛酸铋钠基无铅压电陶瓷制造技术

一种钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，属于压电陶瓷材料，目的在于降低矫顽场，提高压电性能。本发明专利技术基料摩尔比和成分表达式为：（１－ｘ－ｙ）（Ｂｉ↓［１／２］Ｎａ↓［１／２］）ＴｉＯ↓［３］－ｘ（Ｂｉ↓［１／２］Ｋ↓［１／２］）ＴｉＯ↓［３］－ｙＫＮｂＯ↓［３］，式中０≤ｘ＜１，０＜ｙ＜０．２，０＜（ｘ＋ｙ）＜１；并采用下述方法制备：（１）按所述表达式的化学计量比称取Ｂｉ↓［２］Ｏ↓［３］、Ｎａ↓［２］ＣＯ↓［３］、（ＣＯＯＫ）↓［２］.Ｈ↓［２］Ｏ、ＴｉＯ↓［２］、Ｎｂ↓［２］Ｏ↓［５］为原料，用纯酒精作为介质球磨；（２）球磨后的粉料烘干后在８００℃～８５０℃预烧２ｈ，加粘合剂成型；（３）在１１００℃～１１８０℃之间烧结２～３小时；（４）烧结后的陶瓷片上制备银电极，在３０℃～６０℃的硅油中，在４～５ｋＶ／ｍｍ的电压下极化１０～１５分钟；本发明专利技术压电陶瓷组合物的ｄ↓［３３］可达１９０ｐＣ／Ｎ以上，Ｋｐ可达０．３７以上，且工艺稳定，适合应用于压电振子和超声换能器等领域。

Bismuth sodium titanate based leadless piezoelectric ceramic

A bismuth sodium titanate based lead free piezoelectric ceramic belongs to a piezoelectric ceramic material to reduce the coercive field and improve the piezoelectric performance. The present invention base material composition and molar ratio of expression is as follows: (1 - X - Y (Bi): 1 / 2 / 1 / Na: 2) TiO: 3: X (Bi: 1 / 2 / 1 / K: 2) TiO: 3: yKNbO 3, type 0 < x < 1 0 < y < 0.2, < 0 (x + y) < 1; and by the method of preparation: (1) according to the expression of the stoichiometric weigh Bi: 2 O: 3, Na: 2 CO: 3, (COOK): 2.H: 2 O, TiO: 2, Nb: 2 O: 5 as raw material with pure alcohol as milling medium; (2) drying powder after ball milling at 800 to 850 DEG C pre burn 2h, plus binder molding; ( 3) between 1100 and 1180 DEG C to sintering of 2 to 3 hours; (4) ceramics sintered on the preparation of silver electrode in silicone oil 30 to 60 DEG C, in 4 ~ 5kV / mm voltage polarization under 10 ~ 15 minutes; more than D, the invention: piezoelectric ceramic composition the 33 is 190pC / N, Kp can be more than 0.37, and the process is stable, suitable for application in piezoelectric vibrator and ultrasonic transducer etc..

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于压电陶瓷材料，具体涉及一种钙钛矿结构无铅压电陶瓷组合物，适合应用于压电振子和超声换能器等领域。
技术介绍
压电陶瓷是一种将变化的力转换为电或将电转换为振动的新型功能陶瓷材料，在信息、航天、激光和生物等
都有广泛应用。但大规模应用的压电陶瓷材料主要是以铅基压电陶瓷为主，其中氧化铅的含量约占原料总量的70％，这就导致在生产、使用和废弃后处理的过程中给人类及生态环境带来严重的危害。因此，近年来，无铅压电陶瓷材料及应用的研究逐渐成为热点。在目前研究的四种无铅压电陶瓷体系中，钛酸铋钠基无铅压电陶瓷被认为是最有前途的无铅压电陶瓷材料。(Bi1/2Na1/2)TiO3是A位由复合离子Bi0.5Na0.5构成的ABO3型钙钛矿铁电体。单纯的(Bi1/2Na1/2)TiO3陶瓷矫顽场较大(73kV/mm)，极化困难，难以实用化。为了解决这个问题，近二十年来，对(Bi1/2Na1/2)TiO3进行了一系列的改性研究来降低矫顽场，提高压电性能。目前常见的改性方法是用+2碱土金属离子部分取代A位复合离子Bi0.5Na0.5或用+1碱金属离子部分取代Na离子。文献1，T Takanaka，K I Maruyama，“Na0.5Bi0.5TO3-BaTiO3system for lead-free piezoelectric ceramic”，Jpn.J.Appl.Phys.，1991，30(9B)2236-2239；文献2，初宝进，李国荣，江向平等，“Bi1/2Na1/2TiO3-BaTiO3系陶瓷压电性及弛豫相变研究”，无机材料学报，2000，15(5)815-821。报导了组成为(1-x)(Bi1/2Na1/2)TiO3-xBaTiO3的无铅压电陶瓷体，其压电常数d33＝125pC/N，径向机电耦合系数kp＝0.29。文献3，吴欲功，马晋毅，董向红等，“Na0.5Bi0.5TiO3-SrTiO3无铅压电陶瓷的介电、压电性能”，压电与声光，2000，22(6)370-372报导了组成为(1-x)(Bi1/2Na1/2)TiO3-xSrTiO3的无铅压电陶瓷体系，其压电常数d33＝100pC/N，厚度机电耦合系数kt＝0.45。文献4，王天宝，王列娥，卢永康，王道鹏，“Na0.5Bi0.5TiO3-K0.5Bi0.5TiO3系富钠区陶瓷固溶体的电物理性能研究”，硅酸盐学报，1986，14(1)14-22报导了组成为(1-x)(Bi1/2Na1/2)TiO3-x(Bi1/2K1/2)TiO3的无铅压电陶瓷体系，其压电常数d33＝100pC/N，径向机电耦合系数kp＝0.28。文献5，D M Lin，D Q Xiao，etal.“Synthesis and piezoelectric properties of lead-free piezoelectricTiO3ceramic”.Mater.Lett.，2004，58615-618报导了组成为TiO3的无铅压电陶瓷体系，其压电常数d33＝180pC/N，径向机电耦合系数kp＝0.35。
技术实现思路
本专利技术提供一种钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，目的在于进一步降低矫顽场，提高压电性能，以适应产业化应用。本专利技术的一种钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，其基料包括(Bi1/2Na1/2)TiO3、(Bi1/2K1/2)TiO3和KNbO3三种钙钛矿的结构化合物，其摩尔比和成分表达式为(1-x-y)(Bi1/2Na1/2)TiO3-x(Bi1/2K1/2)TiO3-yKNbO3，式中0≤x＜1，0＜y＜0.2，0＜(x+y)＜1；并采用下述方法制备(1)按所述成分表达式的化学计量比称取分析纯或工业纯的Bi2O3、Na2CO3、(COOK)2·H2O、TiO2、Nb2O5为原料，用纯酒精作为介质球磨；(2)球磨后的粉料烘干后装入氧化铝坩锅800℃～850℃预烧2h，加粘合剂成型；(3)在1100℃～1180℃之间烧结2～3小时；(4)烧结后的陶瓷片上制备银电极，在30℃～60℃的硅油中，在4～5kV/mm的电压下极化10～15分钟。所述的钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，其特征在于预烧后的粉料掺杂质量比为u的氧化物MaOb，经球磨，加粘合剂成型后，再烧结，通式表示为(1-x-y)(Bi1/2Na1/2)TiO3-x(Bi1/2K1/2)TiO3-yKNbO3+uMaOb，其中u＝0～2wt％，M是+1～+6价且能与氧形成固体氧化物的元素，a和b为正整数，分别表示相关氧化物中M和氧的原子数。所述的钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，其特征在于掺杂的氧化物为Na2O、Li2O、CuO、MnO2、ZnO2、V2O5、B2O3中的一种或多种。本专利技术中，室温下，(Bi1/2Na1/2)TiO3是三方结构的铁电体，(Bi1/2K1/2)TiO3是四方结构的铁电体，KNbO3是正交结构的铁电体，将三种结构不同的铁电体固溶在一起，确定它们的准同型相界，可以找到最佳的压电性能。由于(Bi1/2Na1/2)TiO3-(Bi1/2K1/2)TiO3-KNbO3陶瓷在钾含量较高(≥18mol％)的情况下烧结温度范围很窄，添加一种或多种MaOb氧化物，可使得该陶瓷体系在1100℃～1180℃之间调节烧结温度并能获得较好的压电性能。本专利技术的三元系无铅压电陶瓷，具有优良的压电性能。经性能测试表明，该体系的压电常数d33可达190pC/N以上，径向机电耦合系数kp可达0.37以上，已经达到实用化的水平，主要应用于压电振子和超声换能器。该陶瓷体系的优点是可以用传统的陶瓷制备工艺制得且工艺稳定，烧结温度在1100℃～1180℃之间，比含铅压电陶瓷的烧结温度要低很多。附图说明图1是本专利技术无铅压电陶瓷在常温下的电滞回线图。具体实施例方式本专利技术无铅压电陶瓷的配方及性能指标如实施例所示实施例1按下述成分表达式的化学计量比(摩尔比)称取分析纯或工业纯的Bi2O3、Na2CO3、(COOK)2·H2O、TiO2、Nb2O5为原料0.83(Bi1/2Na1/2)TiO3-0.16(Bi1/2K1/2)TiO3-0.01KNbO3用纯酒精作为介质球磨，烘干后装入氧化铝坩锅800℃～850℃预烧2h，预烧后的粉料加粘合剂成型，在1100℃～1180℃之间烧结2～3小时；烧结后的陶瓷片上两表面制备银电极，在30℃～60℃的硅油中，在4～5kV/mm的电压下极化10～15分钟。性能d33(pC/N) kp(％) tanδ(％) ε33/ε0Qm Np15233 3.2830 165 2620实施例2制备方法同实施例1，成分表达式0.79(Bi1/2Na1/2)TiO3-0.2(Bi1/2K1/2)TiO3-0.01KNbO3性能d33(pC/N) kp(％) tanδ(％) ε33/ε0Qm Np18231 4.0 1350 89 2650实施例3制备方法同实施例1，成分表达式0.82(Bi1/2Na1/2)TiO3-0.16(Bi1/2K1/2)TiO3-0.02KNbO3性能d33(pC/N) kp(％) tanδ(％) ε33/ε0Qm Np19236 5.11430 97 2660实施例4制备方法同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，其基料包括（Ｂｉ↓［１／２］Ｎａ↓［１／２］）ＴｉＯ↓［３］、（Ｂｉ↓［１／２］Ｋ↓［１／２］）ＴｉＯ↓［３］和ＫＮｂＯ↓［３］三种钙钛矿的结构化合物，其摩尔比和成分表达式为：（１－ｘ－ｙ）（Ｂｉ↓［１／２］Ｎａ↓［１／２］）ＴｉＯ↓［３］－ｘ（Ｂｉ↓［１／２］Ｋ↓［１／２］）ＴｉＯ↓［３］－ｙＫＮｂＯ↓［３］，式中０≤ｘ＜１，０＜ｙ＜０．２，０＜（ｘ＋ｙ）＜１；并采用下述方法制备：（１）按所述成分表达式的化学计量比称取分析纯或工业纯的Ｂｉ↓［２］Ｏ↓［３］、Ｎａ↓［２］ＣＯ↓［３］、（ＣＯＯＫ）↓［２］.Ｈ↓［２］Ｏ、ＴｉＯ↓［２］、Ｎｂ↓［２］Ｏ↓［５］为原料，用纯酒精作为介质球磨；（２）球磨后的粉料烘干后装入氧化铝坩锅８００℃～８５０℃预烧２ｈ，加粘合剂成型；（３）在１１００℃～１１８０℃之间烧结２～３小时；（４）烧结后的陶瓷片上制备银电极，在３０℃～６０℃的硅油中，在４～５ｋＶ／ｍｍ的电压下极化１０～１５分钟。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吕文中，范桂芬，汪小红，梁飞，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]