一种具有热稳定性压电系数的陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有热稳定性压电系数的陶瓷材料及其制备方法，其中所述陶瓷材料是由两种不同化学成分的织构厚膜按照层数比例

【技术实现步骤摘要】
一种具有热稳定性压电系数的陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及功能陶瓷
，尤其是涉及一种具有热稳定性压电系数的陶瓷材料及其制备方法
。

技术介绍

[0002]压电陶瓷是一种可以实现电能和机械能相互转换的功能材料，其在传感器
、
驱动器
、
换能器和滤波器等器件中得到了广泛的应用
。
应用范围覆盖医疗
、
军事
、
汽车
、
航空航天
、
工业机械等众多领域
。
预计到
2026
年，压电器件的全球市场份额将达到
354
亿美元
。
锆钛酸铅
Pb(Zr,Ti)O3(PZT)
基压电陶瓷材料凭借其优异的电学性能及其优异的温度稳定性占据了压电材料市场的主要份额
。
然而，考虑到世界各国和地区对电子产品中有毒元素
(
如铅
、
镉
、
汞等
)
的使用限制，高性能无铅压电陶瓷材料已经成为目前及今后的主要发展方向
。
[0003]在过去的几十年中，科研工作者对钛酸钡
(BaTiO3，简称为
BT)、
钛酸铋钠
(Bi
0.5
Na
0.5
TiO3，简称为
BNT)
和铌酸钾钠
(K
0.5
Na
0.5<br/>NbO3，简称
KNN)
等无铅压电材料进行了深入的研究
。
从实际应用的角度，压电材料不仅应该具有较高的压电响应，还要求其能在较宽的温度范围内稳定工作
。
考虑到
KNN
基陶瓷具有优异的压电性能和较高的居里温度，因此被认为是最有希望取代
PZT
基陶瓷的无铅压电陶瓷材料之一
。
[0004]研究结果表明，
KNN
基陶瓷的压电性能及其温度稳定性与其相结构密切相关
。
因此，通过化学成分调控在
KNN
基陶瓷中获得多晶型相界
(PPB)
已成为公认的提高压电性能最有效的途径之一
。
然而，利用构建多晶型相界提高压电性能的方法也存在其固有的缺陷，即通过化学成分调控会使得
KNN
基压电陶瓷的居里温度大幅度降低，并且压电性能的温度稳定性较差
。
随着电工电子技术的高速发展，压电陶瓷的应用领域正在迅速拓宽，对压电陶瓷元器件也提出了更高的要求
。
一些重要的领域迫切需要高温稳定工作的电子设备，而这些电子设备所使用的压电材料在高温环境下需要满足以下条件：
(1)
应具有较高的居里温度；
(2)
在较宽的温度范围内，材料的压电系数保持稳定
。
国内外研究者虽然针对
KNN
基陶瓷存在的问题探索了多种调控方式，但是在
KNN
基陶瓷中仍然没有一种真正有效的方式同时实现高的压电性能及其优异的温度稳定性
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有热稳定性压电系数的陶瓷材料及其制备方法，本专利技术提出了利用两种不同成分的
KNN
基织构陶瓷厚膜复合的创新性制备方法，同时实现了高的压电系数及其优异的温度稳定性
。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]本专利技术第一方面提供一种具有热稳定性压电系数的陶瓷材料，所述陶瓷材料是由两种不同化学成分的织构厚膜按照层数比例
1:x
堆叠复合而成，其中
x
为大于1的整数，两种织构厚膜分别为
:
[0008]0.98(K
0.48
Na
0.52
)(Nb
0.96
Sb
0.04
)O3‑
0.02(Bi
0.5
Ag
0.5
)ZrO3，即
KNNS
‑
0.02BAZ
；
[0009]0.96(K
0.48
Na
0.52
)(Nb
0.96
Sb
0.04
)O3‑
0.04(Bi
0.5
Ag
0.5
)ZrO3，即
KNNS
‑
0.04BAZ。
[0010]进一步地，所述陶瓷材料中，单层织构厚膜的厚度为
10
～
30
μ
m
[0011]进一步地，所述陶瓷材料中，
KNNS
‑
0.02BAZ
的上层和下层均为
KNNS
‑
0.04BAZ。
[0012]进一步地，所述陶瓷材料在室温到
180℃
的温度范围内压电系数
d
33
和压电应变系数
d
33*
的变化率分别小于5％和2％
。
[0013]本专利技术第二方面提供一种如上述具有热稳定性压电系数的陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0014]1)
按照
KNNS
‑
0.02BAZ、KNNS
‑
0.04BAZ
化学式中元素的化学计量比称取原料：含
K
化合物
、
含
Na
化合物
、
含
Nb
化合物
、
含
Sb
化合物
、
含
Zr
化合物
、
含
Bi
化合物和含
Ag
化合物，经一次球磨
、
烘干
、
预烧
、
二次球磨和过筛过程，获得两种厚膜的粉体基料；
[0015]2)
分别将两种所述粉体基料与
NaNbO3模板
、
溶剂和粘结剂按一定比例混合均匀，获得两种流延浆料；
[0016]3)
分别将两种所述流延浆料分别进行流延成型
、
干燥
、
切割，得到两种织构厚膜，并把
KNNS
‑
0.02BAZ
和
KNNS
‑
0.04BAZ
织构厚膜按层数比例
1:x
进行重复堆叠
、
热压和排粘，获得陶瓷生坯；
[0017]4)
将所述陶瓷生坯进行烧结，获得铌酸钾钠基多层复合压电陶瓷
。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具有热稳定性压电系数的陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料是由两种不同化学成分的织构厚膜按照层数比例
1:x
堆叠复合而成，其中
x
为大于1的整数，两种织构厚膜分别为
:0.98(K
0.48
Na
0.52
)(Nb
0.96
Sb
0.04
)O3‑
0.02(Bi
0.5
Ag
0.5
)ZrO3，即
KNNS
‑
0.02BAZ
；
0.96(K
0.48
Na
0.52
)(Nb
0.96
Sb
0.04
)O3‑
0.04(Bi
0.5
Ag
0.5
)ZrO3，即
KNNS
‑
0.04BAZ。2.
根据权利要求1所述的一种具有热稳定性压电系数的陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料中，单层织构厚膜的厚度为
10
～
30
μ
m。3.
根据权利要求1所述的一种具有热稳定性压电系数的陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料中，
KNNS
‑
0.02BAZ
的上层和下层均为
KNNS
‑
0.04BAZ。4.
根据权利要求1所述的一种具有热稳定性压电系数的陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料在室温到
180℃
的温度范围内压电系数
d
33
和压电应变系数
d
33*
的变化率分别小于5％和2％
。5.
一种如权利要求1至4中任意一项所述具有热稳定性压电系数的陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)
按照
KNNS
‑
0.02BAZ、KNNS
‑
0.04BAZ
化学式中元素的化学计量比称取原料：含
K
化合物
、
含
Na
化合物
、
含
Nb
化合物
、
含
Sb
化合物
、
含
Zr
化合物
、
含
Bi
化合物和含
Ag
化合物，经一次球磨
、
烘干
、
预烧
、
二次球磨和过筛过程，获得两种厚膜的粉体基料；
2)
分别将两种所述粉体基料与
NaNbO3模板
、
溶剂和粘结剂按一定比例混合均匀，获得两种流延浆料；
3)
分别将两种所述流延浆料分别进行流延成型
、
干燥
、
切割，得到两种织构厚膜，并把
KNNS
‑
0.02BAZ
和
KNNS
‑
0.04BAZ
织构厚膜按层数比例
1:x
进行重复堆叠
、
热压和排粘，获得陶瓷生坯；
4)
将所述陶瓷生坯进行烧结，获得铌酸钾钠基多层复合压电陶瓷
。6.
根据权利要求5所述的一种具有热稳定性压电系数的陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤
1)
中，至少包括以下条件中的一项：1‑
1.
一次球磨的时间为
16
～
24h
；1‑
2.
烘干温度为
80
～
100℃
；1‑
3.
预烧温度为
850
～
900℃
；1‑
4.
预烧保温时间为4～
6h
；1‑
5.
二次球磨时间为
48

【专利技术属性】
技术研发人员：李朋，李伟，高硕，赵阳，
申请(专利权)人：聊城大学，
类型：发明
国别省市：