耐疲劳、高逆压电和高稳定性能的抗还原铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了耐疲劳、高逆压电和高稳定性能的抗还原铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法。本发明专利技术铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其化学式如下：(1

【技术实现步骤摘要】
耐疲劳、高逆压电和高稳定性能的抗还原铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种耐疲劳、高逆压电和高稳定性能的抗还原铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法，属于无铅压电陶瓷材料


技术介绍

[0002]压电陶瓷的逆压电性能是压电驱动器的重要指标。在当前的国内外压电驱动器市场中，铅基压电驱动器材料占有极大的市场份额，例如PZT基压电陶瓷。然而，铅基材料在生产和废弃过程中，都会产生对人体和环境的剧毒危害，因此，很多的国家和地区早已经立法限制禁止铅基材料的使用，其中就包括铅基的压电驱动器件。基于当前的形势需要，研发能够取代铅基压电驱动器的无铅压电材料十分紧迫。
[0003]空气烧结的铌酸钾钠基压电陶瓷经过多年的发展，部分的压电性能(正压电系数d
33
～650pC/N和逆压电系数d
*33
～750pm/V)已经能够媲美铅基压电材料(Tao,H.；Wu,H.；Liu,Y.；Zhang,Y.；Wu,J.；Li,F.；Lyu,X.；Zhao,C.；Xiao,D.；Zhu,J.；Pennycook,S.J.Journal of the American Chemical Society 2019,141,13987.)。但是，在众多铌酸钾钠基压电材料中，压电性能的温度稳定性不足，这是制约该材料实用化的一大难题。在压电驱动器应用方面，主要表现为：压电位移量不足及其温度稳定性欠佳。
[0004]对于压电驱动器材料，应用的要求是希望设计出更低驱动电压，并在此电压下能驱动出更大的位移量。将K
0.5
Na
0.5
NbO3基材料多层化是解决材料自身应变不足的最佳方式，即通过多层结构设计可以提高压电材料的总位移量。对同等厚度的无铅基压电材料，施加同等压电时，多层结构设计的压电材料的位移量可得到近乎成倍关系的提高，即
[0005]总位移量S
总
≈层数(N)
×
单层(S
单
)。
[0006]随着高尖端的科学技术的发展，高精度、小型化、功能化、低成本、高稳定性电也成为了无铅压电驱动器的标准。但是，当前多层器件烧结温度基本都在1100℃以上。无论是铅基体系还是无铅体系的材料，其内电极通常使用银钯电极，这类电极的价格昂贵，不利于降低器件的成本。因此，使用贱金属材料作为内电极是最佳的方案。以镍电极为例，镍电极作为内电极的优势有：1、镍电极成本低，仅为常规的Pd30-Ag70电极的5％左右；2、镍原子的电迁移速度较Ag或Pd-Ag小，因而具有良好的电化学稳定性，可以提高多层压电陶瓷的可靠性；3、镍电极对焊料的耐腐蚀性和耐热性好，工艺稳定性好；4、Ni电极的抗氧化性要优于Ag电极；5、Ni电极具有很高的熔点，可达1400℃以上，这决定了Ni电极浆料具有很宽的使用范围。
[0007]但是，镍金属电极在空气中加热至330℃以上会发生氧化反应，因此，这要求烧结的条件必须是还原气氛条件(氧分压小于10
×
10-11
MPa)。这也对所共烧的多层陶瓷材料提出了新要求，即要具备良好的抗还原的特性；而且器件使用对可靠性要求很高，即对压电驱动器材料的疲劳特性要求很高。因此，亟需开发一种具备良好抗还原特性兼具疲劳性能较为优异的K
0.5
Na
0.5
NbO3基无铅压电陶瓷。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种抗还原铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法与应用。本专利技术铌酸钾钠基无铅压电陶瓷具有高逆压电系数、良好抗还原特性和高的逆压电系数d
*33
的温度稳定性(Te)；其制备方法在还原气氛下烧结得到铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，烧结的温度最低，节约电能；其不含Bi则减少了Bi在陶瓷烧结过程中的挥发，降低材料中的空位，有利于提高材料的可靠性。
[0009]本专利技术提供的一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其化学式如下：
[0010](1-x)Na
1-y
K
y
Nb
1-z
Ta
z
O
3-xBa
1+h ZrO3+t％M+k％N；
[0011]其中，x、y、z、h、t和k表示摩尔分数，0.04≤x≤0.07，0.46≤y≤0.55，0≤z≤0.08，-0.1≤h≤0.1，4≤t≤10，0.5≤k≤8；M表示锰化合物，所述锰化合物为MnO、Mn2O3、MnCO3或MnO2，N表示ZrO2或HfO2。
[0012]本专利技术所述抗还原铌酸钾钠基无铅压电陶瓷具体可为下述1)-8)中的任一种：
[0013]1)其化学式如下：
[0014](1-x)Na
1-y
K
y
Nb
1-z
Ta
z
O
3-xBa
1+h ZrO3+t％M+k％N；
[0015]其中，x、y、z、h、t和k表示摩尔分数，0.04≤x≤0.06，0.47≤y≤0.55，0.03≤z≤0.08，-0.1≤h≤0.1，4≤t≤9，1≤k≤8；M表示锰化合物，所述锰化合物为MnO、Mn2O3、MnCO3或MnO2，N表示ZrO2或HfO2；
[0016]具体的一个例子中，x＝0.055，y＝0.48，z＝0.04，h＝0，t＝5，k＝1.5，M表示MnO，N表示HfO2；其化学式具体如下：
[0017]0.945Na
0.52
K
0.48
Nb
0.96
Ta
0.04
O
3-0.055BaZrO3+5mol％MnO+1.5mol％HfO2；
[0018]2)其化学式如下：
[0019](1-x)Na
1-y
K
y
Nb
1-z
Ta
z
O
3-xBa
1+h ZrO3+t％M+k％N；
[0020]其中，x、y、z、h、t和k表示摩尔分数，0.05≤x≤0.06，0.46≤y≤0.52，0.02≤z≤0.06，0≤h≤0.05，4≤t≤6，1≤k≤7；M表示锰化合物，所述锰化合物为MnO、Mn2O3、MnCO3或MnO2，N表示ZrO2或HfO2；
[0021]具体的一个例子中，x＝0.06，y＝0.5，z＝0.06，h＝0，t＝5，k＝2，M表示MnO2，N表示HfO2；其化学式具体如下：
[0022]0.94Na
0.5
K
0.5
Nb
0.94
Ta
0.06
O
3-0.06BaZrO3+5mol％MnO2+2mol％ZrO2；
[0023]3)其化学式如下：
[0024](1-x)Na
1-y
K
y
Nb
1-z...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其化学式如下：(1-x)Na
1-y
K
y
Nb
1-z
Ta
z
O
3-xBa
1+h
ZrO3+t％M+k％N；其中，x、y、z、h、t和k表示摩尔分数，0.04≤x≤0.07，0.46≤y≤0.55，0≤z≤0.08，-0.1≤h≤0.1，4≤t≤10，0.5≤k≤8；M表示锰化合物，所述锰化合物为MnO、Mn2O3、MnCO3或MnO2，N表示ZrO2或HfO2。2.权利要求1所述的抗还原铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备方法，包括如下步骤：(1)将Na2CO3、K2CO3、Nb2O5、ZrO2、HfO2、BaCO3、Ta2O5和所述锰化合物按照所述抗还原铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的化学式中的化学计量比混合，然后依次进行球磨、烘干和煅烧得到瓷料；(2)所述瓷料依次进行球磨、造粒、压制成型、排胶，然后进行烧结和再氧化，即得所述抗还原铌酸钾钠基无铅压电陶瓷；所述烧结在还原气氛中进行。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述球磨以无水乙醇为介质，所述介质的质量为原料总质量的10～20倍；所述原料为所述Na2CO3、所述K2CO3、所述Nb2O5、所述ZrO2、所述HfO2、所述BaCO3、所述Ta2O5和所述锰化合物；所述球磨的转速为300～400转/分钟，时间为20～30h；和/或，所述烘干的温度为60～80℃，时间为1～3h；所述烘干的方式采用减压蒸馏方式进行；和/或，所述煅烧的温度为800～950℃，时间为2～6h。4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述球磨以无水乙醇为介质，所述介质的质量为所述瓷料总质量的10～20倍；所述球磨的转速为250～...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓慧，岑侦勇，李龙土，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：