一种铌酸钾钠－铌酸钾锂压电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种铌酸钾钠－铌酸钾锂压电陶瓷及其制备方法。该铌酸钾钠－铌酸钾锂无铅压电陶瓷，其化学式为（１－ｙ）（Ｋ１－ｘＮａｘ）ＮｂＯ３－（ｙ／５．１５）Ｋ２．９Ｌｉ１．９５Ｎｂ５．１５Ｏ１５．３，其中０．３≤ｘ≤０．７，０＜ｙ≤０．５０。本发明专利技术采用两步固相反应烧结工艺来制备铌酸钾钠－铌酸钾锂陶瓷：先分别预合成纯相的铌酸钾钠和铌酸钾锂，然后将二者混合压片后进行反应烧结。制备的铌酸钾钠－铌酸钾锂压电性能优异，ｄ３３可达２１９ｐＣ／Ｎ左右，ｋＰ可达４７％以上，居里温度ＴＣ高达４８８℃以上。由本发明专利技术方法制备的高性能铌酸盐体系无铅压电陶瓷，在高温条件下收发两用型压电换能器方面具有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于环境友好型无铅压电陶瓷领域。
技术介绍
铁电压电陶瓷是一类重要的、不可替代的、国际竞争极为激烈的高技术材料，被广 泛地应用于制作超声换能器、压电变压器、滤波器、压电蜂鸣器等器件，在信息、激光、航天 和医疗等领域有着极为广泛的应用。传统的铁电压电陶瓷主要是含铅陶瓷，如PZT、PMN-PT、 PZN-PT等。这些含铅陶瓷在其准同型相界附近都显示出了极为优异的铁电压电性能。但是， 这类材料氧化铅含量高达60% 70%，在制备、使用及废弃后处理过程中都会给人类和生 态环境带来严重危害。 近年来，随着环境保护和人类社会可持续发展的需求，研究新型环境友好型无铅 压电陶瓷已成为世界发达国家致力研究的热点材料之一。2001年欧洲议会通过了关于"电 器与电子设备中限制有害物质"的法令，并已于2006年实施，其中被限制使用的有害物质中 就包括铅。美国、日本以及我国电子信息产业部也相继准备通过类似的法令，并已逐年加强 对无铅压电陶瓷项目的支持力度。因此大力发展环境友好型无铅铁电压电陶瓷及其器件， 具有重大的社会和经济意义。 目前，已开发的无铅压电陶瓷体系大致可分为钛酸钡基、含铋层状结构、钛酸铋钠 基和铌酸盐系无铅压电陶瓷等，其中铌酸盐系无铅压电陶瓷又分为鸨青铜结构铌酸盐和牵丐 钛矿结构铌酸钾钠基压电陶瓷。 钨青铜结构铌酸盐是仅次于钙钛矿结构材料的第二大电子陶瓷，其结构特征是铌 氧八面体共角相连，形成三种空位，即五边形的Al位置，四边形的A2位置，和三角形的C位 置。所以其一般的通式写为(Al)4(A2)2C4Nb1Q03。。这类材料具有高居里温度、低介电常数、低 机械品质因数以及优异的非线性光学性能、光电性能和抗光损伤性能。其中，代表性材料铌 酸钾锂(KLN)单晶还具有自发极化大，机电耦合系数kt高达0.64的特点。其作为光电单 晶多年来一直被广泛研究，但作为陶瓷，其介电铁电性能研究很少，难以找到相关的报道。 钙钛矿结构铌酸钾钠(KNN)基无铅压电陶瓷的压电性能优良，被认为是极有可能 取代铅基压电陶瓷的材料体系之一。目前，人们通过掺杂改性对铌酸钾钠基无铅压电陶瓷 做了大量研究，主要有KNN-LiM03 (M = Nb， Ta， Sb) ， KNN_AgM03 (M = Nb， Ta， Sb) ， KNN_MTi03 (M =Mg， Ca， Sr， Ba) ， KNN_Bi。.5M。.5Ti03(M = Na， K)等。发现随着掺杂含量的变化有准同型相 界出现，并且在准同型相界附近获得了致密性、铁电压电性能良好的KNN基无铅压电陶瓷。 但其性能和含铅陶瓷相比仍有差距，并且多伴随有居里温度降低的情况。而且这些掺杂固 溶局限于钙钛矿结构的铌酸钾钠与(类)钙钛矿结构的化合物之间。 2009年，曾江涛等人 报道研究了 (1-x) (K。.5Na。.5)Nb03-xK3Li2Nb5015 (x = O，O. 02， 0. 03， 0. 04， 0. 05)陶瓷体系。这 是首次将铌酸钾钠与以铌酸钾锂为代表的钨青铜结构铌酸盐之间的掺杂固溶。但是这些研究掺杂量较小，取点少，且制备时直接将含K、Na、Li、Nb元素的化合物混合在一起以一步法 预合成，没有单独合成铌酸钾锂，而铌酸钾锂按严格化学计量比时晶体结构不稳定，只存在 于富铌区域。并且报道的压电系数较低，小于160pC/N。 因此，铌酸钾钠与钨青铜结构铌酸盐的掺杂固溶具有广阔的研究空间和前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有较高的压电系数和居里温度的铌酸钾钠-铌酸 钾锂压电陶瓷及其制备方法，以克服现有技术的不足。 本专利技术采用以下技术方案来解决以上技术问题 本专利技术的一种铌酸钾钠-铌酸钾锂压电陶瓷(简称xKNN-yKLN)，其特征在于，化学 式为(l-y) (K卜xNax)Nb03-(y/5. 15)1(2.91^195恥5.15015.3，其中0. 3《x《0. 7，0 < y《0. 50。 上述化学式(l-y) (K卜xNax)Nb03-(y/5. lS^MLi^Nb^Om中，右下标数字及字母 x、 y均表示相应化学元素间的化学计量摩尔关系。 优选的，上述化学式(l-y) (VxNax)Nb03-(y/5. 15)K2.9LiL95Nb5.15015.3中， 0. 3《x《0. 7，0. 02《y《0. 25。 本专利技术还提供了一种上述铌酸钾钠-铌酸钾锂压电陶瓷的制备方法，其特 征在于，先分别预合成纯相的化学式为OVxNax)Nb03的铌酸钾钠，和纯相的化学式为 K2.9LiL95Nb5.15015.3的铌酸钾锂，然后将二者按照化学式(1-y) (K卜xNax) Nb03- (y/5. 15) K2.9LiL95Nb5.15015.3中的化学计量比混合、压片后进行反应烧结;其中，0.3《x《0.7，0 < y《0. 50。上述制备方法具体包括以下步骤 1)按化学式(IVxNax)Nb03中的化学计量比称取钾盐、钠盐和五氧化二铌，然后进 行球磨，烘干后过60 200目筛子得到干粉； 2)按化学式K^LiuNbuA^中的化学计量比称取钾盐、锂盐和五氧化二铌，然 后进行球磨，烘干后过60 200目筛子得到干粉； 3)将步骤1)中所得的粉料在500 850°C的空气中预合成2 6小时，再经研磨 过筛后得到钙钛矿结构的(KhNax) Nb03粉料；优选于在700 850°C的空气中预合成4 6 小时； 4)将步骤2)中所得的粉料在700 IOO(TC的空气中预合成2 10小时，再经研 磨过筛后得到钨青铜结构的K2.9LiL95Nb5.15015.3粉料；优选于在960 IOO(TC的空气中预合 成4 6小时； 5)将步骤3)和步骤4)中所得的粉料，按照化学式(l-y) (K卜xNax)Nb03-(y/5. 15) K2.9LiL95Nb5.15015.3中的化学计量比配料，然后进行球磨混合，烘干后添加粘合剂混合，造 粒； 6)将步骤5)所得的粉料于100 300MPa进行压片，再于500 70(TC排塑，然后 在1000 115(TC空气中烧结2 5小时，随炉冷却，得到陶瓷片。 上述制备方法中，所述钾盐、钠盐、锂盐和五氧化二铌最好为干燥的无水物质，最好在使用前进行烘干处理以保证其干燥状态，如在使用前于12(TC干燥24小时。所述钾盐优选为碳酸钾或硝酸钾；所述钠盐优选为碳酸钠或硝酸钠；所述锂盐优选为碳酸锂或硝酸锂。 上述制备方法中，所述粘合剂采用本领域内常规使用的粘合剂均可，如浓度为 5wt^聚乙烯醇(PVA)，其添加量优选为占步骤5)中所述烘干后所得粉料的8 25wt^;优 选为8 20wt%。 优选的，步骤3)和步骤4)中，以2 l(TC /min的升温速率升温至所述预合成温 度，优选以2 5°C /min的速率升温。 由本专利技术方法制备的高性能铌酸盐体系无铅压电陶瓷可应用于高温条件下的收 发两用型压电换能器。 与现有的铌酸钾钠压电陶瓷制备技术相比，本专利技术具有以下特点和优点 a)本专利技术首次系统地研究了铌酸钾钠与钨青铜结构的铌酸钾锂间的掺杂固溶，开拓了铌酸钾钠压电陶瓷研究的新领域。 b)本专利技术首次采用两步固相反应烧结，即分别预合成纯相的铌本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铌酸钾钠－铌酸钾锂压电陶瓷，其特征在于，化学式为（１－ｙ）（Ｋ↓［１－ｘ］Ｎａ↓［ｘ］）ＮｂＯ↓［３］－（ｙ／５．１５）Ｋ↓［２．９］Ｌｉ↓［１．９５］Ｎｂ↓［５．１５］Ｏ↓［１５．３］，其中０．３≤ｘ≤０．７，０＜ｙ≤０．５０。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李永祥，王有亮，陆毅青，赵宇，王东，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]