高压电响应和高居里温度的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响应和高居里温度的压电陶瓷材料及其制备方法，化学计量比符合化学通式(1‑x)(K0.48Na0.52)(Nb1‑ySby)O3‑xBi0.5(Na0.8K0.2)0.5ZrO3；其中，0.02≤x≤0.04，0.02≤y≤0.04，其制备方法为：(1)制备符合上述化学计量比的基料和用于晶粒织构化生长的铌酸钠(NaNbO3)片状模板；(2)将基料、模板和MnO2烧结助剂按照化学计量比称量后置于尼龙罐中，加入溶剂、分散剂和粘结剂并搅拌均匀得到流动性良好的流延浆料；(3)将浆料流延得到长条形厚膜，待厚膜干燥后将其切割、叠片并热压成陶瓷生坯；(4)将生坯排粘，然后利用两步烧结工艺烧结得到的无铅织构化压电陶瓷，具有高的压电性能和高的居里温度。该环保型无铅压电陶瓷材料在低、中温传感器、换能器和驱动器等领域具有较高的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
高压电响应和高居里温度的压电陶瓷材料及其制备方法
本专利技术属于功能陶瓷材料领域，尤其涉及一种具有高压电响应和高居里温度的无铅织构化压电陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
压电陶瓷材料可以实现电能和机械能之间的相互转化。压电陶瓷材料同时具有正压电和逆压电(电致应变)效应而被广泛应用于通讯、医疗、军事和航空航天等领域。压电陶瓷材料的性能参数决定着其可使用的环境及可使用的温度区间。近些年来，国内外研究者对压电陶瓷材料进行了广泛的研究，这些研究主要包括锆钛酸铅Pb(Zr,Ti)O3(PZT)基压电陶瓷材料，钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)基压电陶瓷材料、钛酸钡BaTiO3(BT)基压电陶瓷材料、铁酸铋BiFeO3(BFO)基压电陶瓷材料以及铌酸钾钠(K,Na)NbO3基压电陶瓷材料等五大类压电陶瓷材料。由于PZT基压电陶瓷材料具有高的压电响应、优异的温度稳定性以及低的原料成本而被广泛应用。但是，PZT基压电陶瓷中PbO的含量超过60％，毒性很强的Pb元素在材料加工制备、电子产品的使用和后续废弃处理过程中对人体和环境都会造成严重的伤害。随着可持续发展理念在全世界范围的形成以及人们环保意识的增强，世界各国家和地区先后颁布了一系列法令以禁止或限制含铅电子材料的使用。例如，2003年欧盟通过了关于“电器和电子设备中限制有害物质”(RoHS)的法令。因此，研发高性能且性能稳定性优异的环保型无铅压电陶瓷材料具有重大的社会意义和经济价值。在上述提及的四类无铅压电陶瓷材料中每种材料都各自具有特点。其中，BT基无铅压电材料室温下具有高的压电性能，目前通过元素掺杂BT基压电陶瓷的压电系数已经突破了600pC/N，这些高性能的BT基无铅压电陶瓷主要包括：(1)2009年Liu等通过Ca和Zr元素同时掺杂在Ba(Ti0.8Zr0.2)O3-(Ba0.7Ca0.3)TiO3陶瓷中获得了压电系数d33高达620pC/N的压电性能。(LiuW,RenX.LargepiezoelectriceffectinPb-freeceramics.Phys.Rev.Lett.,2009,103(25):257602)；(2)2018年Zhao等通过组分调控R-O-T三相共存在(1–x)Ba(Ti1–ySny)O3-x(Ba1–zCaz)TiO3陶瓷中获得了压电系数d33高达700±30pC/N的优异的性能。(ZhaoC,WuH,LiF,etal.PracticalHighPiezoelectricityinBariumTitanateCeramicsUtilizingMultiphaseConvergencewithBroadStructuralFlexibility.J.Am.Chem.Soc.,2018,140(45):15252-15260)虽然上述BT基压电陶瓷的压电性能已经可以和PZT基压电陶瓷相媲美，但是限制BT基压电陶瓷实际应用的致命缺陷是其较低的居里温度(通常低于100℃)，并且目前还没有有效的方法大幅度的提高其居里温度。对于BNT基压电陶瓷来说，其正压电效应并没有表现出明显的优势，其正压电系数d33通常在100-200pC/N,其材料体系的主要优势体现在高的电致应变性能，例如，2016年，Liu等通过K,Sr和Nb等元素掺杂在BNT-2.5Nb陶瓷中获得了电致应变高达0.70％，逆压电系数d33*高达1400pmV-1的压电性能。(LiuX,TanX.Giantstrainsinnon-textured(Bi1/2Na1/2)TiO3-basedlead-freeceramics.Adv.Mater.,2016,28(3):574-578.)对于BFO基无铅压电陶瓷而言，其压电系数较低，且材料的绝缘性能较差很难进行充分的极化，但是其居里温度非常高(通常高于500℃),这一特点使得BFO基无铅压电陶瓷在高温压电材料领域具有高的应用前景。对于KNN基无铅压电陶瓷而言，其具有优异的综合性能，即高的压电响应、相对较高的居里温度以及容易调控的压电性能，因此使得KNN基无铅压电陶瓷成为近些年研究的热点材料。2004年，Saito等人利用LiSbO3,LiTaO3改性KNN，并结合织构化工艺制备了<001>织构化的(K,Na)NbO3-LiTaO3-LiSbO3无铅压电陶瓷，其压电系数d33高达416pC/N，逆压电系数高达750pm/V，这些性能都可以和PZT基压电陶瓷相媲美。(SaitoY,TakaoH,TaniT,etal.Lead-freepiezoceramics.Nature,2004,432(7013):84)这些研究结果极大地激发了科研工作者对无铅压电陶瓷研究的热情。2018年，Li等通过调控相界和利用织构化工艺相结合在KNNS-CZ-BKH织构化陶瓷中获得了压电系数d33～700pC/N的压电陶瓷。(LiP,ZhaiJ,ShenB,etal.UltrahighPiezoelectricPropertiesinTextured(K,Na)NbO3-BasedLead-FreeCeramics.Adv.Mater.,2018,30(8):1705171)对于KNN基压电陶瓷而言，高的压电性能通常是通过构造多晶型相界(PPB)来实现的，而PPB和温度有明显的依赖关系从而使得KNN基压电陶瓷也具有强烈的温度依赖性。由于压电陶瓷的居里温度直接决定了压电材料的使用温度范围，因此提高压电陶瓷的居里温度也具有重要的意义。中国专利CN108503359A公开了一种适用于驱动器的小迟滞无铅压电陶瓷及其制备方法，涉及无铅压电陶瓷制备领域，该小迟滞无铅压电陶瓷的结构通式为(1-x)(K0.48Na0.52)(Nb0.6Sb0.4)O3-xBi0.5(Na0.82K0.18)0.5ZrO3；通过控制x值和烧结温度T，其中，x为0.036<x<0.039，烧结温度T为1120℃-1160℃；该制备方法为通过构建四方相和菱形相共存的准同型相界，由于菱形相c/a＝1，在保持较大压电常数的情况下，能降低迟滞特性。但是该专利主要强调陶瓷的小迟滞特性，使用的制备方法是传统的固相烧结工艺，无法获得高的正压电效应和高的居里温度的材料。
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具有高压电响应和高居里温度的无铅织构化压电陶瓷材料。本专利技术制备的KNN基无铅织构化压电陶瓷具有化学计量比可以精确调控、制备工艺简单、制备成本较低等优点，是一种非常具有应用前景的高性能、高稳定性的环保型压电材料。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：高压电响应和高居里温度的压电陶瓷材料，化学计量比符合化学通式(1-x)(K0.48Na0.52)(Nb1-ySby)O3-xBi0.5(Na0.8K0.2)0.5ZrO3，(简称为KNNSy-xBNKZ)，其中，0.02≤x≤0.04，0.02≤y≤0.04。x优选为0.03，y优选为0.03。所述压电陶瓷材料的陶瓷晶粒具有80％-90％的<001>c织构度。高压电响应和高居里温度的压电陶瓷材料的制备方法，通过模板晶粒生长技术制备了同时具有高压电响应和高居里温度的压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高压电响应和高居里温度的压电陶瓷材料，其特征在于，该压电陶瓷材料的化学计量比符合化学通式(1‑x)(K0.48Na0.52)(Nb1‑ySby)O3‑xBi0.5(Na0.8K0.2)0.5ZrO3；其中，0.02≤x≤0.04，0.02≤y≤0.04。

【技术特征摘要】
1.高压电响应和高居里温度的压电陶瓷材料，其特征在于，该压电陶瓷材料的化学计量比符合化学通式(1-x)(K0.48Na0.52)(Nb1-ySby)O3-xBi0.5(Na0.8K0.2)0.5ZrO3；其中，0.02≤x≤0.04，0.02≤y≤0.04。2.根据权利要求1所述高压电响应和高居里温度的压电陶瓷材料，其特征在于，x优选为0.03，y优选为0.03。3.根据权利要求1所述高压电响应和高居里温度的压电陶瓷材料，其特征在于，所述压电陶瓷材料的陶瓷晶粒具有80％-90％的<001>c织构度。4.如权利要求1所述高压电响应和高居里温度的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)粉体基料的制备：以K2CO3，Na2CO3,Nb2O5,Sb2O3,ZrO2,Bi2O3为原料，将原料烘干后按照上述化学计量比进行称量，将原料进行球磨混合均匀后在850～900℃预烧3-6h，然后进行二次球磨、烘干、过筛，得到粉体基料；(2)通过两步熔盐法制备得到NaNbO3片状模板；(3)将步骤(1)得到的粉体基料、步骤(2)得到的模板、MnO2烧结助剂混合，加入甲苯和乙醇作为混合介质，加入LS粘结剂和锆球搅拌混合3-5h，得到流延浆料；(4)利用刮刀将步骤(3)得到的浆料在玻璃板上进行流延，流延后的厚膜干燥后从玻璃板上刮下并切割成薄片，然后将薄片层层堆叠并热压成陶瓷生坯；(5)将步骤(4)得到的陶瓷生坯在560-650℃排粘，然后采用两步烧结工艺烧结成压电陶瓷材料。5.根据权利要求4所述高压电响应和高居里温度的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：(2-1)利用熔盐法制备前驱体Bi2.5Na3.5Nb5O...

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