铌酸钾钠系压电陶瓷及其制备方法、电子设备技术

本发明专利技术涉及一种铌酸钾钠系压电陶瓷，该铌酸钾钠系压电陶瓷具有如下通式：(0.96

【技术实现步骤摘要】
铌酸钾钠系压电陶瓷及其制备方法、电子设备


[0001]本专利技术涉及功能性陶瓷材料领域，特别是涉及一种铌酸钾钠系压电陶瓷及其制备方法、电子设备。

技术介绍

[0002]压电陶瓷是一种可以实现机械能和电能相互转化的功能性陶瓷，具有便于制造各种损耗低、可靠性高且小型化的功能性元器件的优点，在日常生产和生活的各个领域中有着非常广泛的应用，如换能器、传感器、驱动器等。目前市场上的压电陶瓷器件主流材料是铅基锆钛酸铅(PZT)材料，这种铅基材料所含的重金属元素铅对生物和环境都有着极大的危害。因此，开发一种可以取代锆钛酸铅(PZT)的无铅压电陶瓷材料成为研究者们极其重要的任务。
[0003]钙钛矿型的三种无铅压电陶瓷材料(包括铌酸钾钠系、钛酸铋钠系和钛酸钡系)因为不含铅等有害元素成为目前有望取代铅基压电陶瓷的替代材料，而铌酸钾钠系陶瓷更是由于其良好的压电性能和较高的居里温度成为研究者们的热点研究材料。研究结果表明纯铌酸钾钠陶瓷的压电性能与实用化的PZT陶瓷相比仍有很大差距，而借鉴PZT陶瓷的研究思路，通过离子掺杂和二元系、三元系体系的构建则可以将铌酸钾钠系压电陶瓷的压电性能显著提高，可以与实用性PZT陶瓷的压电性能相媲美。一般来说，二元体系的本质是将铌酸钾钠体系的菱形
‑
正交相变点上移至室温或正交
‑
四方相变点下移至室温；而三元系体系的设计可以将高温的正交
‑
四方相变点和低温的菱形
‑
正交相变点同时移到室温构建菱形
‑
四方相变，在室温共存两相区域KNN系压电陶瓷的压电常数显著提高。目前，三元体系主要为：K1‑
X
Na
X
Nb1‑
Y
Sb
Y
O3‑
zBiFeO3‑
wBi
0.5
Na
0.5
ZrO3(KNNS
‑
zBF
‑
wBNZ)和K1‑
X
Na
X
Nb1‑
Y
Sb
Y
O3‑
zBaZrO3‑
wBi
0.5
K
0.5
HfO3(KNNS
‑
zBZ
‑
wBKH)等，从报道的结果来看，其压电性能较单元及二元体系具有大幅度的提升，但是我们不难发现伴随复合铌酸钾钠系材料的压电常数提高，其居里温度会变低，应用温区会变窄，大大限制了应用范围。
[0004]为提高铌酸钾钠基陶瓷压电性能的温度稳定性，研究人员已做了很多尝试。一是通过掺杂将多晶型相转变温度调控至室温以下，因为导致铌酸钾钠基陶瓷具有较差温度稳定性的根本原因是室温附近多晶型相转变的存在；另外一个是制备织构陶瓷。但是，前者由于避开了多晶型相转变效应不可避免地降低了陶瓷的压电性能；后者则需要很复杂的制备工艺，不利用大规模工业化生产。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要提供一种具有良好的压电性能和较好的温度稳定性且制备工艺简单的铌酸钾钠系压电陶瓷。
[0006]此外，还提供一种铌酸钾钠系压电陶瓷的制备方法。
[0007]一种铌酸钾钠系压电陶瓷，该铌酸钾钠系压电陶瓷具有如下通式：(0.96
‑
x)(K
0.48
Na
0.52
)Nb
0.96
Sb
0.04
O3‑
0.04(Bi
0.5
Na
0.5
)ZrO3‑
xCaZrO3‑
0.4％Fe2O3，其中，x为CaZrO3的摩
尔分数，0＜x≤0.02。
[0008]上述铌酸钾钠系压电陶瓷，在离子掺杂的三元系组分铌酸钾钠系无铅压电陶瓷引入了CaZrO3为新体系源，提高了压电陶瓷的致密度，在能够保持良好的压电性能的同时，可以使T0‑
T
相变点稳定降到室温，减少正交、四方两相的差异，实现多晶型相变的平稳过渡,使其具有优异的温度稳定性。此外，该铌酸钾钠系压电陶瓷的制备工艺简单，原料无毒无害，适用于工业化大规模生产。
[0009]在其中一个实施例中，0＜x≤0.016。
[0010]在其中一个实施例中，x的值为0.004、0.008或0.012。
[0011]在其中一个实施例中，上述铌酸钾钠系压电陶瓷的压电常数d
33
的数值范围在400pC/N～450pC/N。
[0012]在其中一个实施例中，上述铌酸钾钠系压电陶瓷的机电耦合系数Kp的数值范围在0.35～0.40。
[0013]一种铌酸钾钠系压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
[0014]以K2CO3、Na2CO3、Nb2O5、Sb2O3、ZrO2、Bi2O3、CaZrO3和Fe2O3为原料，根据上述通式采用固相法制备铌酸钾钠系压电陶瓷。
[0015]在其中一个实施例中，上述采用固相法制备铌酸钾钠系压电陶瓷的步骤包括：
[0016]将根据上述通式称取的原料混料球磨得到第一湿法浆料；
[0017]将第一湿法浆料烘干后以830℃～870℃初次烧结5h～7h，并球磨，得到第二湿法浆料；
[0018]将第二湿法浆料烘干后研磨得到陶瓷粉体；
[0019]向上述陶瓷粉体中加入3％(w/w)～4％(w/w)的聚乙烯醇溶液，烘干；
[0020]将烘干后的所述陶瓷粉体研磨后压制成陶瓷胚体；
[0021]将上述陶瓷配体以1090℃～1100℃再次烧结3h～5h，得到陶瓷制品；及
[0022]将上述陶瓷制品进行被银处理，并在硅油中浸泡进行极化，得到陶瓷成品。
[0023]在其中一个实施例中，在将根据通式称取的原料混料球磨得到第一湿法浆料之前，还包括合成CaZrO3的步骤，该合成CaZrO3的步骤包括：
[0024]将CaCO3和ZrO2按照摩尔量(0.8～1.2)：1混和，并球磨，得到第一混料；及
[0025]将第一混料烘干后以1480℃～1520℃保温3h～5h，并球磨，烘干，得到CaZrO3粉体。
[0026]在其中一个实施例中，向所述陶瓷粉体中加入3％(w/w)～4％(w/w)的聚乙烯醇溶液的步骤中，陶瓷粉体与聚乙烯醇溶液的质量比为(8～12)：3。
[0027]一种电子设备，包括上述任一实施例所述的铌酸钾钠系压电陶瓷。
[0028]本专利技术提供的三元系组分的铌酸钾钠系陶瓷压电性能优良，且居里温度较高，温度稳定性较好，可在驱动器，传感器方面获得应用，在未来取代铅基压电陶瓷具有重大意义。
附图说明
[0029]图1为各实施例中制备得到的陶瓷成品圆片X射线衍射图谱；
[0030]图2为各实施例中制备得到的陶瓷成品圆片介电温谱图；
[0031]图3为各实施例中制备得到的陶瓷成品圆片在1kHz时测试的电滞回线；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铌酸钾钠系压电陶瓷，其特征在于，所述铌酸钾钠系压电陶瓷具有如下通式：(0.96
‑
x)(K
0.48
Na
0.52
)Nb
0.96
Sb
0.04
O3‑
0.04(Bi
0.5
Na
0.5
)ZrO3‑
xCaZrO3‑
0.4％Fe2O3，其中，x为CaZrO3的摩尔分数，0＜x≤0.02。2.根据权利要求1所述的铌酸钾钠系压电陶瓷，其特征在于，0＜x≤0.016。3.根据权利要求1所述的铌酸钾钠系压电陶瓷，其特征在于，x的值为0.004、0.008或0.012。4.根据权利要求1所述的铌酸钾钠系压电陶瓷，其特征在于，所述铌酸钾钠系压电陶瓷的压电常数d
33
的数值范围在400pC/N～450pC/N。5.根据权利要求1～4任一项所述的铌酸钾钠系压电陶瓷，其特征在于，所述铌酸钾钠系压电陶瓷的机电耦合系数Kp的数值范围在0.35～0.40。6.一种铌酸钾钠系压电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：以K2CO3、Na2CO3、Nb2O5、Sb2O3、ZrO2、Bi2O3、CaZrO3和Fe2O3为原料，根据权利要求1中的通式采用固...

【专利技术属性】
技术研发人员：高大强，张曙光，高美珍，廖忠新，李博森，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：