一种NBT-KBT压电陶瓷及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种NBT-KBT压电陶瓷及其制造方法。其原材料包括氧化钛20％～30％、氧化铋40％～60％、碳酸钠8％～13％以及钛酸钾5％～20％。其制造方法包括如下步骤：称量原料－球磨与混合－干燥－预烧－再次球磨并干燥－加粘结剂－压片－排胶－烧结－烧银和极化，其中烧结步骤中的烧结温度为1160～1210℃。以上述材料为原料制备的无铅压电陶瓷具有较大的致密度、较低的介电损耗及较高的压电常数，比用氧化钛、氧化铋、碳酸钠、碳酸钾为原料制备的压电陶瓷性能优越。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种压电陶瓷，尤其是指一种新原料的压电陶瓷及其制造方法。
技术介绍
压电陶瓷是一种能够实现机械能与电能之间转换的重要功能材料，在机械、电子、 通信等各方面有重要的应用。目前，广泛使用的压电陶瓷是以含铅的in3(Ti，ZiOTiO3为基的陶瓷材料，这种陶瓷材料由于含铅，在制备压电陶瓷的过程中存在I^bO的挥发，不仅造成陶瓷中的化学计量比偏离，使得产品的一致性和重复性降低，而且挥发的PbO对环境造成污染，危害人类健康；在使用中，伴随着微量I^bO的挥发，会造成材料的压电特性和电致伸缩特性发生变化。因此，现在人们正积极探索无铅压电陶瓷。无铅压电陶瓷钛酸铋钠(Naa5Bia5TiO3,简称NBT)是一种钙钛矿型的A位离子复合取代的铁电体，用它制成的压电陶瓷具有相当大的剩余极化强度以及较高的矫顽电场。 这些较高的矫顽电场使得陶瓷的极化较为困难，降低了其压电活性，阻碍了该材料的应用。 同时这种材料还具有难以烧成致密样品的缺点，因而阻碍其实际应用，因此现在人们都对 NBT压电陶瓷性能的改进进行集中研究，以提高其压电活性。在NBT基础上开发的NBT-KBT 陶瓷，是钛酸铋钠(NBT)和钛酸铋钾(KBT)形成的固溶体，是一种改性后的压电陶瓷。目前制备NBT-KBT压电陶瓷的原料是碳酸钾(K2CO3)、氧化钛(TiO2)、氧化铋(Bi2O3)、碳酸钠 (Na2CO3)。由NBT-KBT组成的(NagKx)a5Bia5TiO3 二元系压电陶瓷，当χ = 0. 16时压电陶瓷的化学式为(Naa84Kai6)tl5Bia5TiO3,简称为ΝΚΒΤ16 ；当χ = 0. 20时压电陶瓷的化学式为 (Naa^1KaJa5Bia5TiO3,简称为ΝΚΒΤ20。这些二元系压电陶瓷具有较好的压电性能，并在χ =0.16 0.20之间存在准同型相界，在此范围内陶瓷的压电性能最佳。由于钾离子(K+) 的引入，使得NBT-KBT陶瓷的室温介电、压电性能发生了显著变化。材料的介电、压电性能与KBT含量有很大的关系，χ = 0. 16 0. 20时，陶瓷材料具有较佳的介电和压电性能，其矫顽电场为Ec = 2. 84kV/mm，远比纯NBT的矫顽电场Ec = 7. 3kV/mm小。因此NBT-KBT压电陶瓷具有光明的应用前景。但是其缺点是用上述原料制成NBT-KBT压电陶瓷的烧结温度范围较窄、致密度较低、压电常数较低，且性能不是很稳定。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是提供一种由新的原材料制成的压电陶瓷及其相应的制造方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是一种新材质的NBT-KBT压电陶瓷，其原材料包括氧化钛(TiO2)、氧化铋(Bi2O3)、 碳酸钠(Na2CO3)以及钛酸钾(K20.nTi02)。其中K2O · nTi02中η可以为1、2、4、6、8，即钛酸钾是一钛酸钾(K2O · TiO2)、二钛酸钾(K2O · 2Ti02)、四钛酸钾(K2O · 4Ti02)、六钛酸钾 (K2O · BTiO2)、八钛酸钾(K2O · STiO2)的其中一种或者几种的混合。上述的钛酸钾采用六钛酸钾(K2O -BTiO2)时，NBT-KBT压电陶瓷中的各成分的重量百分含量为碳酸钠8 % 13 %，六钛酸钾5 % 20 %，氧化铋40 % 60 %，氧化钛20 % 30%。其中最佳的含量范围为碳酸钠8% 13%，六钛酸钾8% 13%，氧化铋50% 55%,氧化钛M% 四％。采用其它钛酸钾时，应以六钛酸钾为基准进行重量换算。利用上述新原料制备NBT-KBT压电陶瓷的方法包括如下步骤称量原料——球磨与混合——干燥——预烧——再次球磨并干燥——加粘结剂——压片——排胶——烧结——烧银和极化。其具体工艺步骤为A称量原料，按上述比例称取各原料。B球磨与混合，将称量好的料放入球磨机中球磨，以无水乙醇为球磨介质，控制转速、方向和时间，并进行适当的冷却；累计球磨时间为18小时左右。C干燥，将上述物料在100°C下干燥12h，然后自然冷却至室温。D预烧，预烧的温度为940°C，预烧是为了使化学反应充分进行，提高陶瓷的致密度和压电性能。E再次球磨并干燥，用研钵将预烧后的原料研磨成细粉，然后过筛；并放入球磨罐中再次球磨，时间为6小时；并再次在100°C的温度下干燥12小时，然后自然冷却至室温。F加粘结剂，将粘合剂溶液逐滴均勻的滴入粉料中，然后再次研磨搅拌直至松软均勻，然后过筛。加粘结剂的作用是为了将很细的粉料进行造粒，以提高成型时物料的流动性，便于压结成型。G压片，将加粘结剂的试样再进行干燥后，倒入钢模中，将钢模放在压片机上压片。 加压速度与保压时间应根据坯体的大小，厚薄和形状来调整。H排胶，就是将压片坯体中的粘合剂在烧结之前排除，否则坯体中易生成气孔，使坯体开裂，降低坯体的致密度。排胶步骤是将压片放在加热设备中，在650士 10°C的温度下保温池，然后随炉自然冷却。I烧结，将上述压片放在烧结炉中开始升温，升温速度为室温至650°C为2小时、 650°C至烧结温度为4小时，在1160 1210°C的烧结温度下烧结2小时，冷却采用随炉自然冷却。这里最佳的烧结温度为1190士5°C。J烧银和极化，要使压电陶瓷具有压电特性，必须进行人工极化处理，在极化处理前要进行烧银处理，烧银是使样品表面上形成连续、致密、附着牢固、导电性良好的银层电极，烧银温度为700°C ；极化条件为150°C、3. 2kV/mm的直流电场下极化30min-40min。由于采用了上述技术方案，本专利技术取得的技术进步是本专利技术用K2O -IiTiO2代替K2CO3和部分TiO2,来制备的NBT-KBT压电陶瓷的性能如下1.烧成致密度致密度是压电陶瓷一个非常重要的参数，NBT-KBT压电陶瓷的理论密度为6. 05g/ cm3。以K2O ·6 02为原料的压电陶瓷的相对密度为91. 40% 97. 86%。而以K2CO3为原料制备KBT-NBT压电陶瓷的相对密度88. 26 97. 36%之间。包含钛酸钾原料的样品致密度明显大于原料为K2CO3的样品致密度，因此以K2O -IiTiO2为原料的NBT-KBT压电陶瓷的密度更接近理论密度。说明K2O · nTi02代替K2CO3可以明显提高陶瓷的致密度。2.介电性能介电损耗是衡量压电材料性能的重要指标，压电材料的介电损耗越低，压电材料性能就越好。以K2O · 6Ti02为原料的NKBT16介电损耗为0. 0231tan δ -0. 0367tan δ。以 K2O ·6Τ 02为原料的ΝΚΒΤ20的压电陶瓷介电损耗为0. 0314tan δ -0. 0725tan δ。而用K2CO3 为原料制备ΝΚΒΤ16的压电陶瓷、介电损耗为0. 0264tan δ -0. 0453tan δ，ΝΚΒΤ20的介电损耗为 0. 0347tan δ -0. 0937tan δ。以K2O · 6Ti02为原料的NBT-KBT压电陶瓷在1190°C烧结后具有较低的介电损耗；NKBT16的介电损耗比NKBT20的要小。对照K2CO3为原料制备NBT-KBT压电陶瓷，以 K2O · BTiO2为原料制备的压电陶瓷比以K2CO3为原料制备的压电陶瓷介电损耗要小。本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种ＮＢＴ－ＫＢＴ压电陶瓷，其原材料包括氧化钛、氧化铋、碳酸钠，其特征在于：ＮＢＴ－ＫＢＴ压电陶瓷的原料中还包括一钛酸钾、二钛酸钾、四钛酸钾、六钛酸钾、八钛酸钾的其中一种或者几种混合而成的钛酸钾。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孟永强，赵隽，
申请(专利权)人：河北科技大学，
类型：发明
国别省市：13