一种铌酸钾钠基压电陶瓷制备及烧结方法技术

本发明专利技术公开一种铌酸钾钠基压电陶瓷制备及烧结方法，包括以下步骤：准备原料K2CO3、Na2CO3、Nb2O5、CaCO3、ZrO2、Bi2O3、HfO2、Li2CO3；将全部原料进行一次球磨得到陶瓷粉体，再将陶瓷粉体烘干；将烘干后的陶瓷粉体进行预烧；将预烧后的陶瓷粉体进行二次球磨，再烘干得到陶瓷预烧粉体；将造粒后的陶瓷预烧粉体装入石墨模具中并压片；将石墨模具放置在SPS烧结炉中进行加压加热成型，形成陶瓷块体；冷却石墨模具；将得到的陶瓷块体退火，消除SPS烧结过程中表面产生的碳化层，最后得到高致密度的铌酸钾钠陶瓷。本发明专利技术的目的为针对陶瓷材料要求无铅化，铌酸钾钠陶瓷致密性差，烧结温度高的问题所提出。所提出。

【技术实现步骤摘要】
一种铌酸钾钠基压电陶瓷制备及烧结方法


[0001]本专利技术涉及一种压电陶瓷制备方法，具体涉及一种铌酸钾钠基压电陶瓷制备及烧结方法。

技术介绍

[0002]压电材料作为一种具有特殊的机械能电能相互转换性能的材料而具有广泛的应用，例如传感器，致动器以及换能器等等。这些绝大多数器件都使用多晶陶瓷，几十年来，锆钛酸铅(PZT)陶瓷因其优良的性能和成分改性方面的灵活性而占据主导地位。然而，由于人们对环境的关注，以及政府对有害物质的规定，PZT材料中含有的大量铅(高达60％)已经引起了人们的广泛关注，在生产、使用及废弃处理过程中会对人类和生态环境造成严重损伤。同时许多国家也出台了一系列法令来限制它的应用，如，废电器及电子设备(WEEE)，危险物质限制(RoHS)等。目前无铅压电陶瓷综合性能相比仍有较大的差距，因此无铅材料的研发变得更加迫切。
[0003]铌酸钾钠(K，Na)NbO3无铅压电陶瓷(简称KNN)的广泛研究，源自在2004年的新突破，日本学者Saito等人在Nature上发表了通过模板织构法获得的Li，Ta，Sb共掺的KNN获得了可与含铅压电陶瓷相媲美的压电性能，压电常数可达416pC/N。但KNN中Na，K的挥发使得陶瓷难烧结一直是研究中亟待解决的难题。1962年，Jeager和Egerton用热压技术得到了相对密度大于95％的样品，其性能得到了很大的提高。SPS放电等离子烧结也是提高陶瓷烧结致密性以及降低烧结温度的一种技术。SPS装置通常为单轴加压系统，粉末被放置在一个石墨模具内，在烧结前被抽真空。通电后，脉冲直流系统提供高达1000A的巨大电流，使粉体内部快速加热。该技术利用了高压(20
‑
100MPa)和快速加热(100℃/min
‑
300℃/min)之间的协同效应，在几分钟内实现具有细粒的高密度的陶瓷。纯KNN陶瓷已在低至920℃的温度下成功烧结，比正常烧结的温度低约200℃。密度达到99％，d
33
达到148pC/N。纯KNN陶瓷已在低至920℃的温度下成功烧结，比正常烧结的温度低约200℃。密度达到99％，d
33
达到148pC/N。
[0004]为了进一步提高陶瓷的性能，降低烧结温度，减少K，Na挥发，在K
0.5
Na
0.5
NbO3‑
CaZrO3‑
(Bi
0.5
K
0.5
)HfO3基础上进行微量的元素掺杂。近年来，许多研究致力于通过与其他钙钛矿或类钙钛矿结构的化合物形成固溶体来增强KNN基陶瓷的性能。其中，LiNbO3可以有效地降低烧结温度，提高压电系数d33和居里温度TC。另外，LiNbO3没有有毒的Sb和昂贵的Ta元素，更适合实际应用。虽然Ta和Sb掺杂KNN具有有效的增强性能，但如果调整Li与Na和K的比例，单独掺杂Li也可以使压电系数d
33
提高到高水平。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对陶瓷材料要求无铅化，铌酸钾钠陶瓷致密性差，烧结温度高的问题，提供了一种铌酸钾钠基压电陶瓷制备及烧结方法。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种铌酸钾钠基压电陶瓷制备及烧结方法，包括以下步骤：
[0008]S1、准备原料K2CO3、Na2CO3、Nb2O5、CaCO3、ZrO2、Bi2O3、HfO2、Li2CO3；
[0009]S2、将全部原料进行一次球磨得到陶瓷粉体，再将陶瓷粉体烘干；
[0010]S3、将烘干后的陶瓷粉体进行预烧；
[0011]S4、将预烧后的陶瓷粉体进行二次球磨，再烘干得到陶瓷预烧粉体；
[0012]S5、将造粒后的陶瓷预烧粉体装入石墨模具中并压片；
[0013]S6、将石墨模具放置在SPS烧结炉中进行加压加热成型，形成陶瓷块体；
[0014]S7、冷却石墨模具；
[0015]S8、将得到的陶瓷块体退火，消除SPS烧结过程中表面产生的碳化层，最后得到高致密度的铌酸钾钠陶瓷。
[0016]步骤S1中，所述K2CO3、Na2CO3、Nb2O5、CaCO3、ZrO2、Bi2O3、HfO2、Li2CO3按照化学通式0.88K
0.5
Na
0.5
NbO3‑
0.01CaZrO3‑
0.03(Bi
0.5
K
0.5
)HfO3‑
0.08LiNbO3(KNN
‑
CZ
‑
KBH)的化学计量比称重。
[0017]其中，所述K2CO3、Na2CO3称重前需置于120℃烘箱下烘12h。
[0018]步骤S2中，球磨的球料比为5：1，转速为320r/min，时间为18h，再置于60℃烘箱中烘干4h。
[0019]步骤S3中，烘干后的陶瓷粉体在870℃下预烧3h。
[0020]步骤S4中，球磨的球料比为5：1，转速为320r/min，时间为8h，再置于60℃烘箱中烘干4h。
[0021]步骤S6中，将石墨模具加压至30MPa后恒定，再以100℃/min的速率加热到920℃，保温5min。
[0022]步骤S8中，在960℃退火2h，升降温速率为2℃/min，以消除SPS烧结过程中表面产生的碳化层。
[0023]相对于现有技术，本专利技术的有益效果在于：KNN
‑
CZ
‑
KBH在室温下为钙钛矿ABO3型铁电相，在CaZrO3和(Bi
0.5
K
0.5
)TiO3共同作用下，构建了该三元准同型相界MPB，在保持高居里温度的同时，改善了电学性能。由于Ca
2+
、(Bi
0.5
K
0.5
)
2+
、Zr
4+
、Ti
4+
分别对KNN基陶瓷A、B位进行共掺杂，使三元体系的弛豫程度得到增强，这有利于使三元体系陶瓷的三方
‑
四方相变的弥散，拓宽其相变温度区间。通过对该体系陶瓷进行Li元素的微量掺杂，降低铌酸钾钠陶瓷的烧结温度，同时通过放电等离子烧结(SPS)烧结方式得到致密化的铌酸钾钠陶瓷。
具体实施方式
[0024]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0025]为了说明本专利技术所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
[0026]实施例
[0027]本实施例提供一种铌酸钾钠基压电陶瓷制备及烧结方法，包括以下步骤：
[0028]S1、准备原料K2CO3、Na2CO3、Nb2O5、CaCO3、ZrO2、Bi2O3、HfO2、Li2CO3，将K2CO3、Na2CO3置于120℃烘箱下烘12h本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铌酸钾钠基压电陶瓷制备及烧结方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、准备原料K2CO3、Na2CO3、Nb2O5、CaCO3、ZrO2、Bi2O3、HfO2、Li2CO3；S2、将全部原料进行一次球磨得到陶瓷粉体，再将陶瓷粉体烘干；S3、将烘干后的陶瓷粉体进行预烧；S4、将预烧后的陶瓷粉体进行二次球磨，再烘干得到陶瓷预烧粉体；S5、将造粒后的陶瓷预烧粉体装入石墨模具中并压片；S6、将石墨模具放置在SPS烧结炉中进行加压加热成型，形成陶瓷块体；S7、冷却石墨模具；S8、将得到的陶瓷块体退火，消除SPS烧结过程中表面产生的碳化层，最后得到高致密度的铌酸钾钠陶瓷。2.根据权利要求1所述的一种铌酸钾钠基压电陶瓷制备及烧结方法，其特征在于，步骤S1中，所述K2CO3、Na2CO3、Nb2O5、CaCO3、ZrO2、Bi2O3、HfO2、Li2CO3按照化学通式0.88K
0.5
Na
0.5
NbO3‑
0.01CaZrO3‑
0.03(Bi
0.5
K
0.5
)HfO3‑
0.08LiNbO3(KNN

【专利技术属性】
技术研发人员：张海波，游迪，谭划，黄帅康，周鑫翊，高华昀，任勇飞，王传民，罗江梅，
申请(专利权)人：广东华中科技大学工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：