一种高品质因数的无铅压电陶瓷制造技术

本发明专利技术的目的在于提供一种具有较高机械品质因数的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷及其制备技术。其化学组成通式为：0.956(0.988‑x)(K0.37Na0.63)0.86Ca0.04Li0.02Nb0.85O3‑0.044(0.988‑x)K0.85Ti0.85Nb1.15O5‑xBaSnO3‑yMnO‑zCeO，其中：0.024≤x≤0.073，0.005≤y≤0.09，0.005≤z≤0.08；x、y、z为摩尔量。该体系的压电常数大于240pC/N，平面机电耦合系数大于0.3，介电常数不小于2100，室温1kHz介电损耗小于0.02，机械品质因数不小于110。

Lead free piezoelectric ceramics with high quality factor

The invention aims to provide a sodium potassium niobate lead-free piezoelectric ceramic with a high mechanical quality factor and a preparation technique thereof. The chemical composition of the formula: 0.956 (0.988 x) (K0.37Na0.63) 0.86Ca0.04Li0.02Nb0.85O3 0.044 (0.988 x) K0.85Ti0.85Nb1.15O5 xBaSnO3 yMnO zCeO, of which: 0.024 = x = 0.073, 0.005 = y = 0.09, 0.005 = z = 0.08; X, y, Z as the mole. The piezoelectric constant of the system is greater than 240pC/N, the plane electromechanical coupling coefficient is greater than 0.3, the dielectric constant is not less than 2100, the dielectric loss of 1kHz at room temperature is less than 0.02, and the mechanical quality factor is not less than 110.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高品质因数的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷，属于电子陶瓷领域。
技术介绍
随着环境保护力度的加大，铅基压电陶瓷有望被无铅压电陶瓷所取代。在无铅压电陶瓷体系中，铌酸钠钾基陶瓷由于具有较高的居里温度和压电性能而备受关注。近些年来，围绕铌酸钠钾基陶瓷的开发也取得了非常多的进展。但是在这个体系中，由于存在碱金属的挥发和各种元素扩散率的差异，导致陶瓷的致密度难以提高而且工业化生产的重复性不好。另外，文献[X.Cheng,J.Wu,X.Lou,X.Wang,X.Wang,D.Xiao,andJ.Zhu,AchievingBothGiantd33andHighTCinPatassium-SodiumNiobateTernarySystem,ACSAppl.Mater.Interfaces,6,750(2014)]报道了一类铌酸钠钾基陶瓷具有非常好的压电性能，但是这些陶瓷含有钽、锑、铋等元素，这些元素在工业化生产中存在一些问题，比如钽的价格比较高，锑是有毒性的，而铋在还原性气氛中是不稳定的。最近文献[T.Matsuoka1,H.Kozuka1,K.Kitamura1,H.Yamada1,T.Kurahashi1,M.Yamazaki1andK.Ohbayashi,KNN-NTKcompositelead-freepiezoelectricceramic,J.Appl.Phys.116,154104(2014)]报道了一种复杂的铌酸钠钾基固溶体，主要含有K0.42Na0.44Ca0.04Li0.02Nb0.85O3、K0.85Ti0.85Nb1.15O5、BaZrO3、Co3O4、Fe2O3、ZnO等化合物，显示出较高的压电性能，压电常数为～252pC/N，平面机电耦合系数为～0.52，机械品质因数为～50，居里温度为～300摄氏度。这类材料在陶瓷换能器和压电陶瓷变压器等领域可以得到很好的应用。但是在滤波器和扬声器领域，机械品质因数太低而无法使用。通常提高压电陶瓷机械品质因数的方法是进行受主掺杂，通过氧空位钉扎畴壁振动来提高其机械品质因数。但是单纯的受主掺杂会导致压电常数下降，高温电导升高，因此需要对组分配方和掺杂元素综合考虑来改进陶瓷的压电性能，使其能应用于滤波器和扬声器等领域。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有较高品质因数的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷及其制备技术。该材料不含昂贵的金属元素，但具有较高的品质因数和良好的工艺重复性。采用传统电子陶瓷制备工艺，适合批量化生产。本专利技术所涉及高品质因数的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷的化学组成通式为：0.956(0.988-x)(K0.37Na0.63)0.86Ca0.04Li0.02Nb0.85O3-0.044(0.988-x)K0.85Ti0.85Nb1.15O5-xBaSnO3-yMnO-zCeO，其中：0.024≤x≤0.073，0.005≤y≤0.09，0.005≤z≤0.08；x、y、z为摩尔量。上述铌酸钠钾基无铅压电陶瓷的制备步骤为：(1)将碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂、碳酸钙、五氧化二铌按照化学计量比(K0.37Na0.63)0.86Ca0.04Li0.02Nb0.85O3，采用固相合成工艺制成化合物(K0.37Na0.63)0.86Ca0.04Li0.02Nb0.85O3，命名为A。(2)将碳酸钾、二氧化钛、五氧化二铌按照化学计量比K0.85Ti0.85Nb1.15O5，采用固相合成工艺制成化合物K0.85Ti0.85Nb1.15O5，命名为B。(3)将碳酸钡和氧化锡按照化学计量比BaSnO3，采用固相合成工艺制成化合物BaSnO3，命名为C。(4)将上述步骤所得物料和氧化锰、氧化铈，按0.956(0.988-x)A-0.044(0.988-x)B-xC-yMnO-zCeO配料。放入球磨罐中进行湿式球磨混合4～24小时，球磨介质为氧化锆球和无水乙醇。将球磨过的浆料烘干后压成圆柱，在600～850℃大气气氛中预烧2～8小时，获得前驱体。(5)将预烧后的圆柱研碎再次球磨4～12小时，采用喷雾造粒并压制成型；在1000～1200℃的大气气氛中烧结2～8小时获得致密的陶瓷体。上述碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂、碳酸钙、碳酸钡、五氧化二铌、二氧化钛、氧化锡、氧化锰、氧化铈均为分析纯。铌酸钠钾基陶瓷的品质因数一直是制约其在弱电领域应用的主要因素，这些年来大量的研究始终没有解决压电常数和品质因数的共同提高。本专利技术提供组分和工艺有效提高了K0.42Na0.44Ca0.04Li0.02Nb0.85O3-K0.85Ti0.85Nb1.15O5复合物的品质因数，使其能应用于滤波器和扬声器等领域。其有益效果在于：(1)加入BaSnO3有效地提高了压电性能和温度稳定性，其效果与BaZrO3类似，但是压电性和温度稳定性比BaZrO3更加稳定，属于一种全新的体系设计；(2)加入MnO促进烧结并调控氧空位的含量，一方面提高了陶瓷的致密度，另一方面有效地抑制了铁电畴壁的振动，提高了陶瓷的机械品质因数；(3)加入CeO改变了陶瓷中氧空位的浓度和阳离子空位浓度，在不降低压电常数的情况下提高了材料的机械品质因数；(4)采用前驱体分别合成、煅烧再烧制成瓷的工艺，可以有效提高材料致密度和调控缺陷浓度。综上所述，本专利技术提供了一种低成本的、高品质因数的无铅压电陶瓷的组分和制备工艺，这种高品质因数的无铅压电陶瓷可以应用陶瓷滤波器、蜂鸣器、拾音器等领域。附图说明图1为本专利技术实施例10.9216A-0.0424B-0.024C-0.005MnO-0.005CeO粉体的X射线图谱。图2为本专利技术实施例20.9082A-0.0418B-0.038C-0.03MnO-0.04CeO粉体的X射线图谱。图3为本专利技术实施例30.8939A-0.0412B-0.053C-0.07MnO-0.06CeO粉体的X射线图谱。图4为本专利技术实施例40.8748A-0.0403B-0.073C-0.09MnO-0.08CeO陶瓷SEM图片。具体实施方式下面通过具体的实施例对本专利技术作进一步的详细描述，以下实施例可使本专业技术人员更全面的理解本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术，该领域的熟练技术人员可以根据上述专利技术的内容做出一些非本质性的改进和调整。下面所述碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂、碳酸钙、碳酸钡、五氧化二铌、二氧化钛、氧化锡、氧化锰、氧化铈均为分析纯。实施例1：(1)将碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂、碳酸钙、五氧化二铌按照化学计量比(K0.37Na0.63)0.86Ca0.04Li0.02Nb0.85O3，采用固相合成工艺制成化合物(K0.37Na0.63)0.86Ca0.04Li0.02Nb0.85O3，命名为A。(2)将碳酸钾、二氧化钛、五氧化二铌按照化学计量比K0.85Ti0.85Nb1.15O5，采用固相合成工艺制成化合物K0.85Ti0.85Nb1.15O5，命名为B。(3)将碳酸钡和氧化锡按照化学计量比BaSnO3，采用固相合成工艺制成化合物BaSnO3，命名为C。(4)将上述各步骤所得化合物和氧化锰、氧化铈，按0.9216A-0.0424B-0.024C-0.005MnO-0.005CeO配料。放入球磨罐中进行湿式球磨混合16小时，球磨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铌酸钠钾基无铅压电陶瓷，其特征在于其化学组成通式为：0.956(0.988‑x)(K0.37Na0.63)0.86Ca0.04Li0.02Nb0.85O3‑0.044(0.988‑x)K0.85Ti0.85Nb1.15O5‑xBaSnO3‑yMnO‑zCeO，其中：0.024≤x≤0.073，0.005≤y≤0.09，0.005≤z≤0.08；x、y、z为摩尔量，即原子百分比。

【技术特征摘要】
1.一种铌酸钠钾基无铅压电陶瓷，其特征在于其化学组成通式为：0.956(0.988-x)(K0.37Na0.63)0.86Ca0.04Li0.02Nb0.85O3-0.044(0.988-x)K0.85Ti0.85Nb1.15O5-xBaSnO3-yMnO-zCeO，其中：0.024≤x≤0.073，0.005≤y≤0.09，0.005≤z≤0.08；x、y、z为摩尔量，即原子百分比。2.根据权利要求1所述的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷，其特征在于所述的无铅压电陶瓷的晶体结构为纯钙钛矿结构。3.根据权利要求1所述的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷，其特征在于所述的无铅压电陶瓷含有提高该陶瓷压电性能和温度稳定性的BaSnO3。4.根据权利要求1所述的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷，其特征在于所述的无铅压电陶瓷含有促进该陶瓷烧结性能的MnO。5.根据权利要求1所述的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷，其特征在于所述的无铅压电陶瓷含有调节该陶瓷点缺陷浓度的CeO。6.根据权利要求1所述的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷，其特征在于其机械品质因数不小于110。7.根据权利要求1所述的铌酸钠钾基无铅压电陶瓷，其特征在于，包括以下工艺步骤：(1)按照化学计量比称取碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂、碳酸钙、五氧化二铌，采用固相合...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘来君，邓建明，马幸，任少凯，方亮，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：广西;45