一种高机械强度铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种高机械强度铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料包含[Li0.06(K0.47‑xNa0.47+x)][(Nb0.893Sb0.057Ta0.05]O3、TMO和REO；TMO为MnO2、Fe2O3、Ni2O3、CuO、Cr2O3或Co2O3；REO为Ce2O3、Nd2O3或Yb2O3。本发明专利技术通过Li

A high mechanical strength of sodium potassium niobate based lead-free piezoelectric ceramics and preparation method and application thereof

The invention provides a high mechanical strength of sodium potassium niobate based lead-free piezoelectric ceramics and preparation method and application thereof. The present invention provides potassium sodium niobate based lead-free piezoelectric ceramics containing [Li0.06 (K0.47 xNa0.47+x) [] (Nb0.893Sb0.057Ta0.05]O3, TMO and REO; TMO MnO2, Fe2O3, Ni2O3, CuO, Cr2O3 or Co2O3; REO is Ce2O3, Nd2O3 or Yb2O3. The present invention has been carried out by Li

【技术实现步骤摘要】
一种高机械强度铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及无铅压电陶瓷材料
，尤其涉及一种高机械强度铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料及其制备方法和应用。
技术介绍
压电陶瓷是一类用途广泛的功能材料，可实现机械能与电能的相互转换。压电陶瓷被广泛应用于制作超声换能器、水下声纳探测器、压电变压器、滤波器和压电蜂鸣器等器件，在国民经济、科学技术、现代国防中具有举足轻重的地位。传统的铁电压电陶瓷材料，主要是以Pb(Zr,Ti)O3(PZT)为基的二元系、三元系陶瓷，具有优异的电学性能。压电陶瓷材料用于制作高性能压电点火器件、大功率压电变压器材料，以及作为水下声纳探测、超声无损探伤、探矿等用途时，必须具备优良的机械性能以适应大应力、高频振动的需要。而传统的PZT基压电陶瓷在断裂韧性和抗弯强度方面明显不能满足这一要求，因此对压电陶瓷材料增韧，以获得同时具有优良压电性能和机械性能的陶瓷材料是当今急需解决的课题。目前对于功能陶瓷的增韧多采用自增韧及二相增韧的方式，自增韧即利用材料在烧结制备过程中自生出类似于晶须的棒状晶粒而使材料得以韧化，二相增韧是指在陶瓷基体中加入第二相颗粒或纤维制成陶瓷基复合材料以达到增韧目的。增韧方式大多运用材料内部在应力作用下产生的相变以及微裂纹来吸收能量以达到韧化的效果。对于纯PZT基陶瓷材料，其综合机械性能为：杨氏模量YE＝60～90GPa，维氏硬度HV＝3.0～5.0GPa，断裂韧性KIC＝0.9～1.3MPa·m1/2，弯曲强度σf＝60～80MPa。通过将PZT纳米晶与微米粉体混合，采用固相烧结工艺制备的增韧PZT陶瓷材料的维氏硬度HV、断裂韧性KIC、弯曲强度σf分别可达5.11GPa、1.33MPa·m1/2、93.92MPa。虽然增韧PZT基陶瓷机械性能相对于未增韧PZT基材料提升了约20％～30％，但其电学性能相对传统PZT陶瓷材料有明显下降。因此在不大幅降低压电陶瓷综合电学性能的同时，实现陶瓷韧化以获得优良机械性能是目前压电陶瓷材料增韧的主要技术难题。另一方面，PZT基材料中PbO(或Pb3O4)的含量约占原料总质量的70％，这类材料在制备、使用及废弃处理过程中都会散播有毒物质，对人类的健康及环境造成危害，这显然有违于人类发展和环境保护的要求。因此开发环境友好型的无铅压电陶瓷材料，尤其是兼具优良机械性能和电学性能的无铅陶瓷材料就显得尤为重要和迫切。世界各国在压电材料无铅化的研究与开发上都开展了大量工作，并取得了阶段性进展。在无铅压电陶瓷材料体系中，(K0.5Na0.5)NbO3(KNN)基是目前被公认的最有发展前景的材料，它具有较高的压电铁电性及较高的居里温度。其它体系的无铅压电材料，例如钛酸钡(BaTiO3,BT)基、钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3,BNT)基、铋层状结构材料的压电性能均低于KNN基材料。目前对无铅压电陶瓷尤其是KNN基材料的电学性能挖掘已很充分，改性KNN基陶瓷材料的综合性能已接近、部分性能已达到或超过改性PZT基材料。但至今人们对无铅压电陶瓷机械性能的关注很少，仅有少量对铌酸盐KNN基陶瓷材料机械性能的相关研究报道。目前已知的KNN基陶瓷的断裂韧性KIC低于1.3MPam1/2,抗弯强度σf低于143MPa。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术提供一种兼具高机械强度和良好电学性能的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料及其制备方法和应用。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种铌酸钾钠基压电陶瓷材料，包含[Li0.06(K0.47-xNa0.47+x)][(Nb0.893Sb0.057Ta0.05]O3、TMO和REO；TMO为MnO2、Fe2O3、Ni2O3、CuO、Cr2O3或Co2O3；REO为Ce2O3、Nd2O3或Yb2O3；所述[Li0.06(K0.47-xNa0.47+x)][(Nb0.893Sb0.057Ta0.05]O3、TMO和REO的物质的量之比为1:y:z；其中，x值为0或0.01～0.10；y值为0～0.004；z值为0～0.0008；y和z不同时为0。本专利技术提供了一种上述技术方案所述的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料的制备方法，包含如下步骤：(1)按照铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料中各金属元素的种类和摩尔比称取对应量的Li2CO3、K2CO3、Na2CO3、Nb2O5、Sb2O3、Ta2O5、MnO2、Fe2O3、Ni2O3、CuO、Cr2O3、Co2O3、CeO2、Nd2O3和Yb2O3，作为原料；(2)将所述原料进行破碎处理，得到混合料；(3)对所述混合料进行预烧，得到预烧料；(4)对所述预烧料进行破碎处理，得到细粉料；(5)将所述细粉料和粘结剂混合后压制成型，得到成型料；(6)对所述成型料进行烧结，得到陶瓷材料；(7)将所述陶瓷材料上银电极后在硅油中进行极化，得到铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料。优选的，所述步骤(2)中的破碎处理为将原料和乙醇混合后进行球磨；所述乙醇和原料的质量比为(70～100):100；所述球磨的转速为120～300r/min；所述球磨的时间为1～5h。优选的，所述预烧的温度为890～910℃；所述预烧的时间为1～5h。优选的，所述步骤(4)中的破碎处理为将预烧料和乙醇混合后进行球磨；所述乙醇和预烧料的质量比为(70～100):100；所述球磨的转速为120～300r/min；所述球磨的时间为1～5h。优选的，所述细粉料和粘结剂的质量比为100:(7～13)。优选的，所述烧结的温度为1080～1150℃；所述烧结的时间为1～6h。优选的，所述极化的温度为60～90℃；所述极化的电场强度为2～9kV/mm；所述极化的时间为5～15min。本专利技术还提供了一种上述技术方案所述的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料或者上述技术方案任意一项所述制备方法得到的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料在压电点火设备、声纳探测设备、清洗设备或焊接设备中的应用。本专利技术提供了一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料，包含[Li0.06(K0.47-xNa0.47+x)][(Nb0.893Sb0.057Ta0.05]O3、TMO和REO；TMO为MnO2、Fe2O3、Ni2O3、CuO、Cr2O3或Co2O3；REO为Ce2O3、Nd2O3或Yb2O3。本专利技术通过Li+对A位K+、Na+和Sb5+、Ta5+对B位Nb5+复合取代，在A位取特定Na/K比以及过渡/稀土金属氧化物掺杂四种方式协同改性的特殊方法，解决了纯KNN陶瓷可烧结性差的难题，实现了气孔率极低致密陶瓷的可控制备，使得得到的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料兼具良好的机械性能和电学性能。本专利技术提供的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料的综合压电铁电介电物理性能为：d33＝245.1～282pC/N，kp＝42.5％～45.8％，Qm＝50～60，tanδ＝0.020～0.027，k31＝28.6％～30.5％，Nr＝3000～3200Hz·m，Pr＝20.0～22.6μC/cm2，Ec＝1.01～1.3kV/mm，ρ＝4.50～4.80g/cm3；机械性能为：杨氏模量YE＝89.0～98.4GPa，弯曲模量Ef＝74.8～221.6GPa,维氏硬度HV＝3.9～5.3GPa，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高机械强度铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料，包含[Li0.06(K0.47‑xNa0.47+x)][(Nb0.893Sb0.057Ta0.05]O3、TMO和REO；TMO为MnO2、Fe2O3、Ni2O3、CuO、Cr2O3或Co2O3；REO为Ce2O3、Nd2O3或Yb2O3；所述[Li0.06(K0.47‑xNa0.47+x)][(Nb0.893Sb0.057Ta0.05]O3、TMO和REO的物质的量之比为1:y:z；其中，x值为0或0.01～0.10；y值为0～0.004；z值为0～0.0008；y和z不同时为0。

【技术特征摘要】
1.一种高机械强度铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料，包含[Li0.06(K0.47-xNa0.47+x)][(Nb0.893Sb0.057Ta0.05]O3、TMO和REO；TMO为MnO2、Fe2O3、Ni2O3、CuO、Cr2O3或Co2O3；REO为Ce2O3、Nd2O3或Yb2O3；所述[Li0.06(K0.47-xNa0.47+x)][(Nb0.893Sb0.057Ta0.05]O3、TMO和REO的物质的量之比为1:y:z；其中，x值为0或0.01～0.10；y值为0～0.004；z值为0～0.0008；y和z不同时为0。2.权利要求1所述的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料的制备方法，包含如下步骤：(1)按照铌酸钾钠基压电陶瓷材料中各金属元素的种类和摩尔比称取对应量的Li2CO3、K2CO3、Na2CO3、Nb2O5、Sb2O3、Ta2O5、MnO2、Fe2O3、Ni2O3、CuO、Cr2O3、Co2O3、CeO2、Nd2O3和Yb2O3，作为原料；(2)将所述原料进行破碎处理，得到混合料；(3)对所述混合料进行预烧，得到预烧料；(4)对所述预烧料进行破碎处理，得到细粉料；(5)将所述细粉料和粘结剂混合后压制成型，得到成型料；(6)对所述成型料进行烧结，得到陶瓷材料；(7)将所述陶瓷材料上银电极后在硅油中进...

【专利技术属性】
技术研发人员：何云斌，郭金明，周桃生，尚勋忠，卢寅梅，张清风，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42