高压电性、高电致应变的无铅压电陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及高压电性、高电致应变的无铅压电陶瓷材料及其制备方法，该材料的化学成份符合化学通式(1‑x)(K0.5Na0.5)0.98Ag0.02(Nb0.96Sb0.04)O3‑x(Bi0.5Na0.5)ZrO3，其中x表示(Bi0.5Na0.5)ZrO3所占铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的百分比，且0.01≤x≤0.06。与现有技术相比，本发明专利技术制备方法简单，稳定性好，成本低。该制备方法得到的无铅压电陶瓷材料具有优异的压电性能和电致应变，其d33达到了440pC/N,d33

【技术实现步骤摘要】
高压电性、高电致应变的无铅压电陶瓷材料及其制备方法
本专利技术属于无铅压电材料领域，尤其是涉及一种高压电性、高电致应变且温度稳定性良好的无铅压电陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
压电材料由于能够实现机械能和电能相互转换，在电、磁、力、热等功能器件中有着重要的作用。目前铅基压电材料中的锆钛酸铅(Pb(Ti,Zr)O3,PZT)，由于具有优异的综合性能而成为应用最广泛的压电材料。然而铅在高温环境下易挥发，含铅材料在制备和废弃的过程中都会给环境带来巨大的负担且严重威胁着人类的健康。由于环保意识和可持续发展理念的不断深入人心，研究和开发无铅压电材料成为了必要且紧急的课题。目前，研究者们在改善无铅压电材料的性能方面已经取得了一系列成果，但目前还不存在完全能取代铅基压电材料的无铅压电材料，因此还需要做更深入的研究和探索。压电陶瓷根据其晶体结构特点主要可以分为：钙钛矿型、钨青铜型、烧绿石型和铋层状结构化合物。目前研究比较热的钙钛矿型无铅压电陶瓷体系主要有钛酸钡(BaTiO3,BT)基无铅压电陶瓷，钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3,BNT)基无铅压电陶瓷和铌酸钾钠(K0.5Na0.5NbO3,KNN)基无铅压电陶瓷。其中，铌酸钾钠基无铅压电陶瓷由于其优异的压电性能，机电耦合性能及相对高的居里温度，受到研究者们的广泛关注。2004年，日本丰田中央研究所的SaitoY等人的研究中得到了d33在416pC/N的铌酸盐系无铅压电陶瓷(Y.Saito,H.Takao,T.Tani,T.Nonoyama,K.Takatori,T.Homma,T.Nagaya,M.Nakamura,Lead-freepiezoceramics,Nature432(2004)84–87)，引起了世界范围内的广泛关注，随后铌酸钾钠基压电陶瓷被广泛研究。虽然有些铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的压电性能已能和铅基材料相媲美，但仍然有很多问题需要克服。阻碍铌酸钾钠基无铅压电陶瓷实现应用的问题主要有：1)K、Na在高温下容易挥发，使铌酸钾钠基压电陶瓷致密性不好、烧结温区窄；2)目前主要采用多晶型相界的构建来提高铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的性能，但多晶型相界不仅受组分的影响还受温度的控制，这个特点极大地影响了铌酸钾钠基压电陶瓷的温度稳定性，成为其实现应用的最大阻碍。为了克服铌酸钾钠基无铅压电陶瓷温度稳定性差的问题主要提出了三种优化办法：1)构建弥散的多晶型相界；2)通过组分调控将多晶型相界移至室温以下；3)采用织构化技术。QingLiu等通过构建弥散的多晶型相界极大地提高了铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的温度稳定性，其中d33在室温下取得330pC/N，并且温度从室温升高到100℃是d33的波动小于10％；d33*能够在室温到100℃保持小于6％的波动(Q.Liu,J.F.Li,L.Zhao,Y.C.Zhang,J.Gao,W.Sun,K.Wang,L.T.Li,Niobate-basedlead-freepiezoceramics:adiffusedphasetransitionboundaryleadingtotemperature-insensitivehighpiezoelectricvoltagecoefficients,J.Mater.Chem.C6(2018)1116–1125)，此方法能一定程度上提高温度稳定性。实践证明，通过组分调控将多晶型相界移至室温以下确实能够增强温度稳定性，但这种方法是以牺牲压电性能为代价的，因此存在很大的局限性。织构化技术能够有效提高铌酸钾钠基压电陶瓷的压电性能，还能改善其温度稳定性，PengLi，JiweiZhai等人采用织构化技术在2017年取得了突破性进展(P.Li,J.W.Zhai,B.Shen,S.J.Zhang,X.L.Li,F.Y.Zhu,X.M.Zhang,UltrahighPiezoelectricPropertiesinTextured(K,Na)NbO3-BasedLead-FreeCeramics,Adv.Mater.30(2018)1705171)，但织构化工艺制备方法非常复杂，成本较高，很难实现产业化。中国专利CN104876567B公开了高压电系数铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法，原料组成为(1-a)(K0.5Na0.5)0.95Li0.05Nb0.93Sb0.07-aMZrO3,其中M＝Ca,Sr或Ba，a＝0.01～0.06；采用三步烧结固相合成的制备方法，第一步烧结温度为1100～1120℃，保温时间为0分钟，第二步烧结温度为1160-1210℃，保温时间为0～5分钟，第三步烧结温度为1000～1100℃，保温时间为2～20小时，得到一种新型的无铅压电陶瓷材料，其压电常数d33最高为410pC/N,d33*为450pm/V。本专利与上述专利相比，本专利采用Ag+和Na0.5Bi0.5TiO3掺杂，效果更好，压电系数最高为440pC/N，d33*为553pm/V，压电性能和电致应变得到很大提升。且本专利中烧结方式采用两步烧结，相比于上述专利中的三步烧结方式，本专利中的烧结方式更加环保和节能。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高压电性、高电致应变且温度稳定性良好的无铅压电陶瓷材料及其制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：高压电性、高电致应变的无铅压电陶瓷材料，该材料的化学成份符合化学通式(1-x)(K0.5Na0.5)0.98Ag0.02(Nb0.96Sb0.04)O3-x(Bi0.5Na0.5)ZrO3，其中x表示(Bi0.5Na0.5)ZrO3所占铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的百分比，且0.01≤x≤0.06。其中x＝0.04-0.05。高压电性、高电致应变的无铅压电陶瓷材料的制备方法，采用以下步骤：(1)采用Na2CO3、K2CO3、Ag2O、Nb2O5、Sb2O3、Bi2O3和ZrO2为原料，按照(1-x)(K0.5Na0.5)0.98Ag0.02(Nb0.96Sb0.04)O3-x(Bi0.5Na0.5)ZrO3中Na、K、Ag、Nb、Sb、Bi和Zr元素的化学计量比称取Na2CO3、K2CO3、Ag2O、Nb2O5、Sb2O3、Bi2O3和ZrO2，然后再依次经过球磨、预烧、二次球磨，加入粘合剂，成型，排粘程序；(2)采用两步烧结的方法对(1)中制备的样品进行烧结，制备得到无铅压电陶瓷材料。步骤(1)进行球磨及二次球磨时，以无水乙醇为球磨介质，氧化锆球的质量为粉体总重的1.5倍，球磨24小时。步骤(1)加入的粘结剂为聚乙烯醇。步骤(1)所述预烧是以3℃/min的升温速度从室温升到850℃保温6h。步骤(1)所述排粘是从室温经过400min升到200℃，保温2h；然后再经过400min升高到600℃度，保温6h。步骤(2)具体采用以下步骤：先将混合原料升到一个较高的温度(1180℃-1200℃)，然后再快速降温到一个低的温度(1060℃-1090℃)并保温3-8小时。步骤(2)中所述两步烧结，经过不断尝试不同的烧结温度后确定，采用以下烧结程序时，材料的性能达到最优：5℃/min的升温速度升到900℃(不需要保温)，再以3℃/min的升温速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高压电性、高电致应变的无铅压电陶瓷材料，其特征在于，该材料的化学成份符合化学通式(1‑x)(K0.5Na0.5)0.98Ag0.02(Nb0.96Sb0.04)O3‑x(Bi0.5Na0.5)ZrO3，其中x表示(Bi0.5Na0.5)ZrO3所占铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的百分比，且0.01≤x≤0.06。

【技术特征摘要】
1.高压电性、高电致应变的无铅压电陶瓷材料，其特征在于，该材料的化学成份符合化学通式(1-x)(K0.5Na0.5)0.98Ag0.02(Nb0.96Sb0.04)O3-x(Bi0.5Na0.5)ZrO3，其中x表示(Bi0.5Na0.5)ZrO3所占铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的百分比，且0.01≤x≤0.06。2.根据权利要求1所述的高压电性、高电致应变的无铅压电陶瓷材料，其特征在于，其中x＝0.04-0.05。3.如权利要求1所述的高压电性、高电致应变的无铅压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：(1)采用Na2CO3、K2CO3、Ag2O、Nb2O5、Sb2O3、Bi2O3和ZrO2为原料，按照(1-x)(K0.5Na0.5)0.98Ag0.02(Nb0.96Sb0.04)O3-x(Bi0.5Na0.5)ZrO3中Na、K、Ag、Nb、Sb、Bi和Zr元素的化学计量比称取Na2CO3、K2CO3、Ag2O、Nb2O5、Sb2O3、Bi2O3和ZrO2，然后再依次经过球磨、预烧、二次球磨，加入粘合剂，成型，排粘程序；(2)采用两步烧结的方法对(1)中制备的样品进行烧结，制备得到无铅压电陶瓷材料。4.根据权利要求3所述的高压电性、高电致应变的无铅压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)具体采用以下步骤：先将混合原料升到1180℃-1200℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈波，杨伟伟，翟继卫，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31