一种无铅压电陶瓷及制备方法技术

本发明专利技术涉及压电陶瓷技术领域，具体公开了一种无铅压电陶瓷及制备方法，压电陶瓷的化学通式为：0.95K

【技术实现步骤摘要】
一种无铅压电陶瓷及制备方法


[0001]本专利技术涉及压电陶瓷
，具体涉及一种无铅压电陶瓷及制备方法。

技术介绍

[0002]压电陶瓷是一类具有压电效应的功能材料，是现代科学技术中不可或缺的关键材料，可用于研制换能器、驱动器、传感器等电子元器件，在医疗超声成像、国防安全建设、各类无损检测等领域具有广泛应用。压电效应发现于石英晶体中，包括正压电效应和逆压电效应，分别是指电介质材料在力的作用下产生电荷和在电场作用下产生应变的现象。压电效应的强弱能够直接影响到相关电子器件的性能优劣。因此，研发出具有强压电效应的压电陶瓷成为研究者们的重要任务。
[0003]目前，市场上广泛应用的是Jaffe等人在1954年发现的具有强压电效应的锆钛酸铅（PZT）陶瓷。随后发展出了大量兼具优异压电性能和良好温度稳定性的铅基压电陶瓷，在市场占据主导地位。然而，铅基压电陶瓷中含有大量的铅元素（﹥60%），不利于环境保护和人体健康，与可持续发展战略背道而驰。因此，高性能无铅压电陶瓷的研发对电子信息科技、环保建设、可持续发展战略具有深远意义。
[0004]作为一类典型的无铅压电陶瓷，铌酸钾钠（KNN）基陶瓷受到了广泛关注，在结构设计、性能优化、新物性等方面受到大量研究，并取得突破性进展。研究表明，在KNN基陶瓷中通过阳离子掺杂，可以有效调控相变温度，从而构建室温下的多相共存结构，实现压电性能的有效提升，优于已经商用化的PZT
‑
5H陶瓷。说明离子掺杂、相界特征与压电性能三者之间存在密切关联，恰当的离子掺杂是相结构优化并提升压电性能的有效手段。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种无铅压电陶瓷及制备方法，采用BaF2取代BaCO3,实现氟离子对氧离子的取代，即阴离子掺杂，使制备的压电陶瓷材料的相变处介电峰锐化，相对介电常数为2303~3001，压电系数为410~480 pC/N，制备过程采用Fe2O3作为助烧剂，能够有效地降低材料的烧结温度，有助于提升陶瓷的致密性，获得高质量的陶瓷。
[0006]本专利技术通过下述技术方案实现：一种无铅压电陶瓷，压电陶瓷的化学通式为：0.95K
0.48
Na
0.52
Nb
0.95
Sb
0.05
O3‑
0.035(Bi
0.5
Ag
0.5
)ZrO3‑
0.015BaZrO3‑
x
F
2x
‑
0.004Fe2O3，其中，x为用氟化钡（BaF2）替代原料中的碳酸钡（BaCO3）的摩尔百分数，x=20~100%。
[0007]本专利技术所述的无铅压电陶瓷通过Sb元素、锆酸盐(Bi
0.5
Ag
0.5
)ZrO3和BaZrO3，进行阳离子改性，并烧结制得室温具有“三方
‑
正交
‑
四方”多相共存的压电陶瓷结构，这种结构能够细化铁电畴结构，进而优化压电性能。更重要的是，在具有多相共存的基础上，用BaF2取代原BaCO3作为原料,实现氟离子对氧离子的取代，即阴离子掺杂。基于不同阴离子具有不同的电荷、离子半径和电负性，可以影响结构畸变，进而作用于相结构，最终呈现不同的压
电性能。在上述组分中，Fe2O3作为一种助烧剂，能够有效地降低材料的烧结温度，有助于提升陶瓷的致密性，获得高质量的陶瓷。
[0008]一种无铅压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：S101、按照摩尔百分比，以碳酸钠、碳酸钾、五氧化二铌、三氧化二锑、氧化铋、氧化银、碳酸钡、氟化钡、氧化锆和三氧化二铁为原料，以无水乙醇作为球磨介质滚动球磨得到粉体；S102、将步骤S101获得的粉体烘干，得到混合均匀的粉料；S103、将步骤S102获得的粉料在850~900℃下预烧4~6小时得到干粉；S104、在步骤S103获得的干粉中加入聚乙烯醇水溶液依次进行造粒、压制和排胶，得到陶瓷坯体；S105、将步骤S104获得的陶瓷坯体在1070~1090℃下烧结3~5小时，得到压电陶瓷体。
[0009]进一步地，还包括以下步骤：S106、将步骤S105获得压电陶瓷体镀上银电极，施加电压进行极化。
[0010]本专利技术制备过程采用Fe2O3作为助烧剂，能够有效地降低材料的烧结温度，有助于提升陶瓷的致密性，获得高质量的陶瓷，其中，850~900℃下预烧，以及1070~1090℃下烧结，相比不添加Fe2O3作为助烧剂，温度均有所降低。
[0011]进一步地，极化过程为：将压电陶瓷体镀上银电极，在硅油中，利用耐压测试仪将压电陶瓷体在3~4 kV/cm下极化10~20分钟。
[0012]进一步地，步骤S101中，球磨采用的球磨罐为尼龙罐；采用的磨球为锆球。
[0013]进一步地，步骤S103中，预烧时将粉料放入刚玉坩埚中，再将刚玉坩埚在850~900℃下预烧4~6小时。
[0014]进一步地，步骤S104中，压制具体过程为：利用电动压片机将所述粉体压制成片状。
[0015]进一步地，电动压片机的压力为10MPa。
[0016]进一步地，压制时将粉料置于具有腔体的磨具中。
[0017]进一步地，步骤S104中，聚乙烯醇水溶液的质量百分比为6wt%~8wt%。
[0018]本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：1、本专利技术通过在铌酸钾钠陶瓷中掺入Sb元素、锆酸盐(Bi
0.5
Ag
0.5
)ZrO3和BaZrO3，进行阳离子改性，并烧结制得室温具有“三方
‑
正交
‑
四方”多相共存的压电陶瓷结构。在此基础上，再用BaF2取代BaCO3作为原料，实现氟离子对氧离子的取代，即阴离子掺杂，调控相结构；使制备的压电陶瓷材料的相变处介电峰锐化，相对介电常数为2303~3001，压电系数为410~480 pC/N，制备过程采用Fe2O3作为助烧剂，能够有效地降低材料的烧结温度，有助于提升陶瓷的致密性，获得高质量的陶瓷。
[0019]2、本专利技术所述压电陶瓷材料中不含铅元素，属于环境友好型材料，符合前国际社会发展中的可持续发展战略，具有非常广泛的使用范围。
[0020]3、本专利技术所述的压电陶瓷材料的制备方法，工艺简单稳定，易于操作，便于工业化生产。
附图说明
[0021]此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1是本专利技术所述压电陶瓷材料的制备方法的流程示意图；图2是本专利技术实施例1
‑
7提供的压电陶瓷材料的X射线衍射图谱；图3是本专利技术实施例1提供的压电陶瓷材料的介电常数随温度的变化示意图；图4是本专利技术实施例2提供的压电陶瓷材料的介电常数随温度的变化示意图；图5是本专利技术实施例3提供的压电陶瓷材料的介电常数随温度的变化示意图；图6是本专利技术实施例4提供的压电陶瓷材料的介电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无铅压电陶瓷，其特征在于，压电陶瓷的化学通式为：0.95K
0.48
Na
0.52
Nb
0.95
Sb
0.05
O3‑
0.035(Bi
0.5
Ag
0.5
)ZrO3‑
0.015BaZrO3‑
x
F
2x
‑
0.004Fe2O3，其中，x为用BaF2替代原料中的BaCO3的摩尔百分数，x=20~100%。2.如权利要求1所述的一种无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S101、按照摩尔百分比，以碳酸钠、碳酸钾、五氧化二铌、三氧化二锑、氧化铋、氧化银、碳酸钡、氟化钡、氧化锆和三氧化二铁为原料，以无水乙醇作为球磨介质滚动球磨得到粉体；S102、将步骤S101获得的粉体烘干，得到混合均匀的粉料；S103、将步骤S102获得的粉料在850~900℃下预烧4~6小时得到干粉；S104、在步骤S103获得的干粉中加入聚乙烯醇水溶液依次进行造粒、压制和排胶，得到陶瓷坯体；S105、将步骤S104获得的陶瓷坯体在1070~1090℃下烧结3~5小时，得到压电...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶红，吴波，吴文娟，马健，罗莉，赵林，尔古打机，陈敏，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：