弛豫型铌酸钾钠基压电陶瓷复合物及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一类弛豫型铌酸钾钠基压电陶瓷复合物，通式为：（Ｋ０．５Ｎａ０．５）１－ｘ－２ｙＬｉｘＳｒｙＮｂ１－ｚＳｂｚＯ３，０≤ｘ≤０．０８，０≤ｙ≤０．０３，０≤ｚ≤０．０７。该类ＫＮＮ基压电陶瓷材料具有高致密度；良好的铁电性、相对较高的剩余极化强度；低的室温介电损耗；矫顽场相对较低，容易极化；较高的压电性能；材料的居里温度可在１８０－４１７℃之间调节；随掺杂物含量的变化，材料可由正常铁电体过渡到弛豫性铁电体。可以满足在传感器、激励器、电光器件等方面的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料领域，特别是涉及一种压电性能较好且 能够满足多方面应用的弛豫型铌酸钾钠基无铅压电陶瓷复合物及其制备方法和应用。
技术介绍
长久以来，以锆钛酸铅(PZT)为代表的铅基压电陶瓷在商业应用上一直占据主导 地位，但PZT陶瓷的铅含量高达60 %以上，在生产、使用及废弃处理过程中都会给人类和 生态环境造成污染(E. Hollenstein, M. Davis, D. Damj anovic, N. Setter, Piezoelectric properties of Li-and Ta-modif ied (K0 5Na0 5) Nb03ceramics [J]. Appl. Phys. Lett. 2005, 87 =182905.)。因此，随着人类社会可持续发展的要求以及一些发达国家有关电子产品无 铅化法规的全面实施，寻找能够代替PZT的无铅压电材料成为电子材料领域的紧迫任务之 一。目前，铋层状结构钛酸盐、钙钛矿结构钛酸盐、铌酸盐等材料因具有相对较好的压电性 能成为人们研究的焦点。其中，铌酸盐中的(Ka5Naa5)NbO3(KNN)基无铅压电陶瓷，由于其 居里温度高(T。= 420°C )、介电常数低、压电常数和机电耦合系数高等特性，被认为是一 种很有前途取代 PZT 的压电材料(H. Birol, D. Damjanovic, N. Setter, Preparation and characterization of (K0 5Na0 5) Nb03ceramics [J]. J. Eur. Ceram. Soc. 2006，26 :861_866.)。KNN陶瓷最大的问题是烧结性能差，在正常大气压下烧结时，陶瓷的密度只有 理论密度的90%，结构疏松，性能不理想，这主要是由于制备过程中由于碱金属K、Na的 挥发导致材料偏离化学计量比，并产生另一种杂相K4Nb6O7，该物质在潮湿的环境中非常 容易发生潮解，极大影响了 KNN陶瓷材料的性能，限制了该类材料的应用。因此采用传 统陶瓷烧结工艺很难制备出致密的、综合性能满足实际应用的KNN陶瓷(L. Egerton, D.M.Dillon, Piezoelectric and dielectric properties of ceramics in the system potassium-sodium niobate[J]. J. Am. Ceram. Soc. 1959,42 :438-442.)。 I ffi f!; J￡、方文 电等离子体等烧结方法(R. Ε. Jaeger, L. Egerton. Hot pressing of potassium-sodium niobates [J]. J. Am. Ceram. Soc. 1962，45 :209_213. R. Wang, R.Xie，T. Sekiya，Y. Shimojo, Fabrication and characterization of potassium—sodiumniobate piezoelectric ceramics by spark-plasma-sintering method[J]. Mater. Res. Bul1. 2004, 39 1709-1715.)虽能解决KNN陶瓷烧结性能差的问题，并能得到压电性能相对较好的材料，但 这些新制备技术与传统烧结工艺相比，由于其成本高，工艺复杂而很难实现大规模的工业 生产。因此，通过掺杂改性的方式来改善KNN陶瓷的烧结特性和电性能实现用传统烧结工 艺制备出高性能的系列陶瓷是目前研究的主要方向。公开号CN 101397208A(申请号200710018777. 0)的中国专利文献公开了一种Li 和Bi改性的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料及其制备方法，通过添加Li和Bi离子提高陶瓷 的居里温度，同时保持了高的压电性能和优良的温度稳定性。公开号CN 101429027A(申请 号200810239628. 1)的中国专利文献公开了一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其低温烧结 的制备方法。该陶瓷材料的通式为(1-x) (Na0..52+yK0.48)Nb03+y/2-xLiNb03,0 . 0 58^x^0. 085，0. 01≤y≤0.03。公开号CN 101423391A (申请号200810073906. 0)的中国专利文献公开了 一种新型铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法。该陶瓷材料的通式为(1-x-y) (Ka5Naa5) Nb03_xLiSb03_yBiFe03，其中0≤χ≤0. 1，0≤y≤0. 05。但上述专利文献公开的技术，仅仅 是从掺杂改性与控制工艺过程对KNN基无铅压电陶瓷进行研究，均未涉及到KNN基无铅压 电陶瓷的弛豫性，这样限制了 KNN基无铅压电陶瓷在弛豫型驱动器等方面的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种综合性能优良的KNN基无铅压电陶瓷复合物，即弛豫 型铌酸钾钠基无铅压电陶瓷复合物及其制备方法和应用。该体系陶瓷能够随掺杂量和掺杂 物质的变化，由正常铁电体到弛豫性铁电体进行过渡，能够满足在压电驱动器、换能器、传 感器等不同电光器件中的应用。本专利技术得到国家自然科学基金资助项目(50602021)；国家863资助项目 (2006AA03Z437)的资助。本专利技术提供的弛豫型铌酸钾钠基压电陶瓷复合物，通式为(Ka5Naa5)1T2yLixSryNb ^zSbzO3，O ≤ χ ≤ 0. 08，0 ≤ y ≤ 0. 03，0 ≤ z ≤ 0. 07。前述的弛豫型铌酸钾钠基压电陶瓷复合物，优选的方案是，χ = 0,y = 0.02, Z = 0. 01-0. 05。前述的弛豫型铌酸钾钠基压电陶瓷复合物，优选的方案是，χ = 0-0. 07,y = 0. 02， z = 0. 01-0. 05。更优选的方案是，χ = 0-0. 07，y = 0. 02, ζ = 0. 02。或者 χ = 0. 06，y = 0. 02，z = 0. 01。本专利技术还提供了前述弛豫型铌酸钾钠基压电陶瓷复合物的制备方法，步骤如下A.按照通式的化学计量比配料；B.球磨混合、干燥，800-900°C保温2_5h预合成；C.细磨，烘干，造粒；D.成型、排塑(800°C，2h)；E. 1120-1180°C烧结，保温 l_3h。前述的制备方法，优选的方案在于，步骤B球磨混合时间为2-10h，850 V保温4h预 合成。前述的制备方法，优选的方案在于，步骤E烧结温度为1130-1170°C。本专利技术还提供了弛豫型铌酸钾钠基压电陶瓷复合物在制备压电陶瓷元件中的用 途。本专利技术提供KNN基无铅压电陶瓷复合物的晶体结构如图1所示，为典型的单一钙 钛矿结构。陶瓷材料的晶体结构会随Li、Sb掺杂量的变化而转变由斜方相结构转变为四 方相结构。但Sr含量的变化不会引起该体系陶瓷晶体结构的变化。上述弛豫型铌酸钾钠 基压电陶瓷复合物经上电极、极化(室温，35-40kV/cm，时间30分钟)，从而制备成压电元 件。本技术通过对KNN基无铅压电陶瓷的研究，发现了 KNN基无铅压电陶瓷的弛豫性， 扩大了 KNN基无铅压电陶瓷本文档来自技高网...

【技术保护点】
弛豫型铌酸钾钠基压电陶瓷复合物，其特征在于，通式为：（Ｋ↓［０．５］Ｎａ↓［０．５］）↓［１－ｘ－２ｙ］Ｌｉ↓［ｘ］Ｓｒ↓［ｙ］Ｎｂ↓［１－ｚ］Ｓｂ↓［ｚ］Ｏ↓［３］，０≤ｘ≤０．０８，０≤ｙ≤０．０３，０≤ｚ≤０．０７。

【技术特征摘要】
弛豫型铌酸钾钠基压电陶瓷复合物，其特征在于，通式为(K0.5Na0.5)1 x 2yLixSryNb1 zSbzO3，0≤x≤0.08，0≤y≤0.03，0≤z≤0.07。2.权利要求1所述的弛豫型铌酸钾钠基压电陶瓷复合物，其特征在于，χ= 0，y = 0. 02，z = 0. 01-0. 05。3.权利要求1所述的弛豫型铌酸钾钠基压电陶瓷复合物，其特征在于，χ= 0-0. 07，y =0. 02，z = 0. 01-0. 05。4.权利要求3所述的弛豫型铌酸钾钠基压电陶瓷复合物，其特征在于，ζ= 0. 02。5.权利要求3所述的弛豫型铌酸钾钠基压电陶瓷复合物，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：初瑞清，徐志军，郝继功，刘泳，张燕杰，付鹏，
申请(专利权)人：聊城大学，
类型：发明
国别省市：37[中国|山东]