本发明专利技术公开了钛铌锌酸铋钠系无铅压电陶瓷材料及其制备方法，它是在ＡＢＯ↓［３］型钙钛矿结构的（Ｎａ↓［１／２］Ｂｉ↓［１／２］）ＴｉＯ↓［３］中Ｂ位离子Ｔｉ↑［４＋］被复合离子（Ｚｎ↓［１／３］Ｎｂ↓［２／３］）↑［４＋］部分取代和Ａ位离子（Ｎａ↓［１／２］Ｂｉ↓［１／２］）↑［２＋］部分被Ｂａ↑［２＋］取代构成无铅压电陶瓷，可以用通式（Ｎａ↓［１／２］Ｂｉ↓［１／２］）Ｔｉ↓［１－ｘ］（Ｚｎ↓［１／３］Ｎｂ↓［２／３］）↓［ｘ］Ｏ↓［３］＋ｚＭ↓［ａ］Ｏ↓［ｂ］和（Ｎａ↓［１／２］Ｂｉ↓［１／２］）↓［１－ｙ］Ｂａ↓［ｙ］Ｔｉ↓［１－ｘ］（Ｚｎ↓［１／３］Ｎｂ↓［２／３］）↓［ｘ］Ｏ↓［３］＋ｚＭ↓［ａ］Ｏ↓［ｂ］来表示，其中Ｍ↓［ａ］Ｏ↓［ｂ］为一种或多种氧化物。该体系压电陶瓷采用两步合成法，经烧结得到。本发明专利技术无铅压电陶瓷，陶瓷致密度高，性能优良，其压电常数ｄ↓［３３］可达１５０ｐＣ／Ｎ以上，Ｋ↓［ｔ］可达０．５０以上，Ｋ↓［ｐ］在０．２０以下，具有较强的各向异性，且制备工艺简单、稳定，适宜产业化生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压电陶瓷材料，具体是钛铌锌酸铋钠系无铅压电陶瓷及其制备 方法。二
技术介绍
压电陶瓷是一种能实现机械能与电能间转换的重要功能材料，在机械、电 子、通信等各方面有重要的应用。自从二十世纪四十年代中期发现钛酸钡陶瓷的压电性后，AB03型钙钛矿结构压电陶瓷的研究十分活跃。但目前对压电陶瓷 的研究和生产主要集中在传统的锆钛酸铅(PZT)为基的多元系含铅陶瓷。由于含 铅压电陶瓷在制备、使用和废弃后处理过程中都会对环境造成污染。因此寻找 一种能够替代铅基压电陶瓷的无铅压电陶瓷材料是一项有重大社会和经济意义 的课题。目前研究的无铅压电陶瓷体系主要有五种BaTi03基无铅压电陶瓷、 (Na^Biw)Ti03基无铅压电陶瓷、铋层状结构无铅压电陶瓷、铌酸钾钠锂((K,Na, Li)Nb03)无铅压电陶瓷以及钩青铜结构无铅压电陶瓷。其中钛酸铋钠 (Na1/2Bi1/2)Ti03 (简称NBT)是一种A位复合取代的AB03型钙钛矿铁电体，其居 里点为320。C，在室温下具有相对较大的剩余极化(PF38 pC/cm2)，被认为是一 种很有希望的无铅压电材料。但NBT陶瓷矫顽场高(Ee73 kV/cm)，极化极为困 难，因而单纯的NBT陶瓷很难实际应用。必须对NBT陶瓷改性以获得矫顽场低、压电性能好的无铅压电陶瓷体系。目前对NBT基无铅压电陶瓷的改性主要集中在A、 B位置的取代改性上，并 在此基础上进一步进行微量稀土元素的掺杂改性。文献l (Key Eng. Mater. 2006, 320:23-26)报到了组成式为Nao.5Bi。.5Ti03-Bio.5Kio.5Ti03-BaTi03的无铅压电陶瓷 体系，文献2 (Mater. Sci. Eng. B, 2004, 112(9):5-9)报到了组成式为 (Nao.5Bio.5)Ti03-NaNb03的无铅压电陶瓷体系，文献3(Jpn. Appl. Phys. 1991, 30(9B):2236-2239)报到了组成式为(NaQ.5Bia5)Ti03-BaTi03的无铅压电陶瓷； 文献4(压电与声光，2000，22(6):370-372)报道了组成式为(Na1/2Bi1/2)Ti03-SrTi03的无铅压电陶瓷；文献5(Mater. Lett. 2005， 59:1576-1580)报道了组成式为 (Na1/2Bi1/2)Ti03—Ba(Ti， Zr)03的无铅压电陶瓷，文献6 (Jpn. J. Phy. 1997, 36: 6055-6057)报到了组成式为0^1/2811/2)1103-1/2(81203^0203)的无铅压电陶瓷体 系；文献7(Jpn. J Appl. Phys. 2006, 45(5B):44934496)报道了 (Bi1/2Na1/2)Ti03-(Bi1/2K1/2)Ti03无铅压电陶瓷体系；文献8(Ceram. Int. 2007, 33:95-99)报道了 Ce02掺杂的BiG.5Na。.44Ko.Q6Ti03无铅压电陶瓷；专利 CN1511800A给出了组成式为[BiUNaL^IU^)JTi03体系的压电陶瓷组合物；专 利JP1 l-180769给出了组成式为(Nao.5Bio.5)Ti03-BaTi03，添加0.5~1.5^%的1^203、 Y203、 Yb203、 Sm203、 Nd203、 〔6203等氧化物后获得不同性能的压电陶瓷。但是，目前有关B位复合离子取代的NBT基钛铌锌酸铋钠系的无铅压电陶瓷 及其制备方法还未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种矫顽场低，易于极化，致密度高的、压电性能好 的。实现本专利技术目的的技术方案是针对AB03型钙钛矿结构的(Na1/2Bi1/2)Ti03， 通过(Na1/2Bi1/2)Ti03中B位离子Ti4+部分被复合离子(Zn1/3Nb2/3)4+取代和A位离子(Na1/2Bi1/2)2+部分被Ba2+取代构成无铅压电陶瓷，可以用通式 (Na1/2Bi1/2)Ti1-x(Zn1/3Nb2/3)x03和(Na1/2Bi1/2)1-yBayTi1-x(Zn1/3Nb2/3)xO3来表示，式中x、 7表示摩尔分数，其中0≤x≤0.03，0≤y≤0.08。本专利技术无铅压电陶瓷还可以由前面通式表示的基料中掺杂一种或多种氧化 物组成，使一些性能参数优化。可以用通式表示为(Na1/2Bi1/2)Tij-x(Zn1/3Nb2/3)+zMaOb和(Na1/2Bi1/2)1-yBayTi1-x(Zn1/3Nb2/3)xO3+zMaOb,式中x、少和z表示摩尔分数， 其中0≤c≤0.03， 0≤y≤0.08， 0≤z≤0.02。 MaOb为一种或多种氧化物，M为+1~+6 价且能与氧形成固态氧化物的元素，如Li、 Na、 K、 Ca、 Ba、 Sr、 Mg、 Mn、 Fe、 Co、 Cr、 Nb、 Ta、 La、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Gd、 Dy、 Er、 Yb、 Y、 Sc、 Sn、 Sb、 V、 W等。本专利技术的钛铌锌酸铋钠系无铅压电陶瓷的制备方法采用两步合成法，具体 的制备工艺与普通氧化物混合法不同的地方在于第一步以ZnO和Nb205为原料，合成ZnNb206粉，第二步以合成的ZnNb206粉和其它原料粉混合再合成主晶相粉末，然后烧结得到陶瓷片。具体工艺包括如下步骤1) 第一步以ZnO和Nb205为原料，按照化学式ZnNb206进行配料，以无 水乙醇为介质湿磨，烘干后在950 1100℃合成ZnNb206，研磨过筛后得到 ZnNb206粉；第二步以ZnNb206、 Bi203、 Na2C03、 BaC03、 1102和MaOb为原料， 按照化学式(Na1/2Bi1/2)Ti1-x(Zn1/3Nb2/3)xO3 ， 0≤x≤0.03; ((Na1/2Bi1/2)1-yBayTi1-x(Zn1/3Nb2/)xO3), 0≤x≤0.03， 0≤y≤0.08;(Na1/2Bi1/2)Ti1-x(Zn1/3Nb2/3)xO3+zMaOb， 0≤x≤0.03， 0≤z≤0.02。 ((Na1/2Bi1/2)1-yBayTi1-x(Zn1/3Nb2/3)O3+zMaOb， 0≤x≤0.03， 0≤y≤0.08， 0≤z≤0.02。进行配料，以无水乙醇为介质湿磨，烘干后在850 1000℃合成瓷料；2) 干压成型；3) 成型片在1150 1200℃空气中烧结，得到致密压电陶瓷片；4) 烧结致密的陶瓷片用砂纸磨至1.00士0.02mm，双面被银，烧银后在 60 100℃硅油中极化，极化电场为3~6kv/mm，极化时间为5 15min;本专利技术的优点有制备的无铅压电陶瓷体系，性能优良，该体系的压电常 数d33可达150pC/N以上，厚度机电耦合系数Kt可达0.50以上，平面电耦合系 数Kp在0.20以下，具有较强的各向异性，用在超声换能器上可避免不必要的振 动，矫顽场低，易于极化；采用两步合成法，能获得高致密度的陶瓷材料，工 艺稳定，具有实用性，适于产业化应用。四附图说明图1为1170℃烧结的(NamBiu2)o.98Bao.o2Ti,(Zr1/3Nb2/3)謹03陶瓷表面SEM图2为1150℃烧结的(本文档来自技高网...
【技术保护点】
钛铌锌酸铋钠系无铅压电陶瓷，其特征是在ＡＢＯ↓［３］型钙钛矿结构的（Ｎａ↓［１／２］Ｂｉ↓［１／２］）ＴｉＯ↓［３］中Ｂ位离子Ｔｉ↑［４＋］被一种复合离子（Ｚｎ↓［１／３］Ｎｂ↓［２／３］）↑［４＋］部分取代构成的无铅压电陶瓷，组成通式为（Ｎａ↓［１／２］Ｂｉ↓［１／２］）Ｔｉ↓［１－ｘ］（Ｚｎ↓［１／３］Ｎｂ↓［２／３］）↓［ｘ］Ｏ↓［３］，式中ｘ表示摩尔分数，其中０≤ｘ≤０．０３。
【技术特征摘要】
1.钛铌锌酸铋钠系无铅压电陶瓷，其特征是在ABO3型钙钛矿结构的(Na1/2Bi1/2)TiO3中B位离子Ti4+被一种复合离子(Zn1/3Nb2/3)4+部分取代构成的无铅压电陶瓷，组成通式为(Na1/2Bi1/2)Ti1-x(Zn1/3Nb2/3)xO3，式中x表示摩尔分数，其中0≤x≤0.03。2 .如权利要求1的无铅压电陶瓷，其特征是在通式为(N^2Biw)Tik(Zn^Nb2/3、03的基体中掺入一种或多种氧化物，通式为 (Nai/2Biv2)Tik(ZnwNb2/3)3+2:MaOb，式中x和z表示摩尔分数，其中0S^0.03， 0^50.02， MaOb为一种或多种氧化物，M为+l +6价且能与氧形成固态氧化物 的元素。3. 如权利要求2所述的无铅压电陶瓷，其特征是所述的+1~+6价且能与 氧形成固态氧化物的元素为Li、 Na、 K、 Ca、 Ba、 Sr、 Mg、 Mn、 Fe、 Co、 Cr、 Nb、 Ta、 La、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Gd、 Dy、 Er、 Yb、 Y、 Sc、 Sn、 Sb、 V或W。4. 钛铌锌酸铋钠系无铅压电陶瓷，其特征是在AB03型钙钛矿结构的 (Na^B^)Tik(Zn^Nb2^03中的A位离子被Ba^离子部分取代构成的无铅压电 陶瓷。组成通式为(Na^Bi^)^Ba;nUZnwNb2/3y33，式中x、y表示摩尔分数， 其中0SxS0.03 ， 05^0.08 。5 .如权利要求4的无铅压电陶瓷，其特征是在通式为 (Na^Bh/2)bBa;nUZn!/3Nb2/3X03的基体中掺入一种或多种氧化物，通式为 (N^2Bi!/2)^B Tik(ZnwNb2/3》03+zMaOb，式中x、 y禾卩z表示摩尔分数，其中0^cS0.03， 0^>^0.08， 0》^0.02， MaOb为一种或多种氧化物，M为+1~+6价且能 与氧形成...
【专利技术属性】
技术研发人员：周昌荣，刘心宇，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：45[中国|广西]
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