專利名稱：鈮酸鉀鈉-鈦酸鉍鈉鉀壓電陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈮酸鉀鈉-鈦酸鉍鈉鉀無鉛壓電陶瓷及其制備方法，屬于電子陶 瓷領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，具有低密度、高聲學(xué)速度，機械品質(zhì)因數(shù)及壓電常數(shù)取 值范圍較寬等特點，被認(rèn)為是最有望取代鉛基壓電陶瓷的材料。目前多準(zhǔn)同型相界復(fù)合 技術(shù)是提高材料壓電性能的有效方法。文獻“Atsushi Sasaki, Tatsuya Chiba，Youichi Mamiya and Etsuo Otsuki, Dielectric and Piezoelectric Properties of(Bi0 5Na0 5) TiO3- (Bi0.5K0.5) TiO3 Systems, Jpn. J. App 1. Phys. 38 (1999) pp. 5564-5567”給出 了 Bia 5Na0.5) TiO3-(Bi0.5K0.5)TiO3 的準(zhǔn)同型相界。本發(fā)明采用 Ka5Naa5NbO3 與 Bi0.5Na0.5)TiO3-(Bi0.5K0.5) TiO3的準(zhǔn)同型相界復(fù)合技術(shù)，以碳酸鉀、碳酸鈉、五氧化二鈮、二氧化鈦、三氧化二鉍為原 料，用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)方法制備鈮酸鉀鈉-鈦酸鉍鈉鉀無鉛壓電陶瓷，方法簡單、成本低， 適合于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)與壓電元器件的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種鈮酸鉀鈉_鈦酸鉍鈉鉀無鉛壓電陶瓷及其制備方法。特 別是在鈮酸鉀鈉-鈦酸鉍鈉鉀二元體系中，確定準(zhǔn)同型相界，獲得的不同的壓電、介電、機 電耦合特性。使鈮酸鉀鈉-鈦酸鉍鈉鉀的固溶體系的壓電常數(shù)比純鈮酸鉀鈉提高1至2倍。本發(fā)明所述的鈮酸鉀鈉-鈦酸鉍鈉鉀壓電陶瓷化學(xué)組成通式為(I-X)Ka5Naa5NbO ^xBia5(Ka82Naai8)TiO3，其中0 < χ < 0. 20。用固相反應(yīng)法制備合成壓電陶瓷。具體步驟如下(1)將碳酸鉀、碳酸鈉、二氧化鈦、三氧化二鉍、五氧化二鈮，按化學(xué)計量比為 (1-χ)K。.5Na。.5Nb03-XBi。.5 (Ka82Naai8) TiO3 配料，其中0 < χ < 0. 2 ；(2)將步驟(1)配好的料放入球磨機中混料，球/料質(zhì)量比為2 20，球的材質(zhì)為 鐵球、瑪瑙球、氧化鋯球和氧化鋁球中的一種，球磨的時間為6 14小時，轉(zhuǎn)速為200 450
轉(zhuǎn)/分鐘；(3)將步驟⑵混合好的料壓塊，在900 1300°C溫度下預(yù)燒1 3小時，取出煅 燒的料研碎，再次球磨，球磨時間和轉(zhuǎn)速同步驟(2)，然后粉體過40目篩，球的材質(zhì)和球/料 比同步驟(2)；(4)將步驟(3)得到的粉體加入其質(zhì)量比10-45%的純凈水、質(zhì)量比0. 2 2%的 聚丙烯酸氨分散劑和質(zhì)量比0. 2 2%的聚乙烯醇粘合劑，經(jīng)球磨1 3小時混合均勻而成 料漿，球磨速度為50 300轉(zhuǎn)/分鐘，采用氣流噴霧造粒，得到顆粒直徑為0. 01 1毫米 的鈮酸鉀鈉_鈦酸鉍鈉鉀粉體顆粒；(5)將步驟(4)制得的粉體顆粒放入壓機，在200 900MPa的壓力下壓制出圓片 或者方片；
(6)將步驟(5)成型的圓片或者方片放入烘箱中120°C烘1 6小時成為素片， 然后將烘干的素片放入爐中排膠，升溫速率在25 500°C溫度段為30 90°C /h，500 800°C溫度段為90 120°C /h，并分別在270°C、36(TC、50(rC及800°C保溫1 4小時，隨 爐冷卻；(7)將步驟(6)得到的素片放入燒結(jié)爐中，以2 12°C /分鐘的升溫速率升至 1100 1500°C，保溫1 8小時，然后隨爐冷卻，制得鈮酸鉀鈉-鈦酸鉍鈉鉀壓電陶瓷。本發(fā)明方法大大的提高了無鉛壓電陶瓷體系的壓電性能、提高了材料的工藝穩(wěn)定 性，從成分和工藝兩方面使鈮酸鉀鈉體系的無鉛壓電陶瓷達到了實用化水平。


圖1 為本發(fā)明組分為 0. 97K0.5Na0.5Nb03-0. OSBia5(Ka82Naai8)TiO3 陶瓷的 XRD 譜。圖2 為本發(fā)明組分為 0. 9IKa5Naa5NbO3-O. OQBia5(Ka82Naai8)TiO3 陶瓷的 SEM 圖。
具體實施例方式下面通過實施例進一步闡明本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著的優(yōu)點，本發(fā)明決非僅局 限于所述的實施例。實施例1:用傳統(tǒng)固相法將碳酸鈉、碳酸鉀、二氧化鈦、三氧化二鉍、五氧化二鈮按化學(xué)計量 比為0. 95K0.5Na0.5Nb03-0. 05Bia 5 (Ka82Naa 18) TiO3配料。原料放入球磨罐中按氧化鋯球料質(zhì) 量比為5 1的比例混料。球磨的時間為12小時，轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分鐘，混合好的料壓塊 在950°C溫度下預(yù)燒2小時，取出煅燒的料研碎，再球磨12小時后過40目篩，球磨轉(zhuǎn)速為 400轉(zhuǎn)/分鐘；將粉體加入其質(zhì)量比32%的純凈水、質(zhì)量比1. 2%的聚丙烯酸氨分散劑和質(zhì) 量比0. 8%的聚乙烯醇粘合劑，經(jīng)球磨2小時混合均勻而成料漿，球磨速度為100轉(zhuǎn)/分鐘， 采用氣流噴霧造粒；粉體顆粒放入壓機中，在450MPa壓力下得到直徑15毫米厚度1. 2毫米 的圓片；放入烘箱中120°C烘10小時成為素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，升溫速率 在25 500°C溫度段為30°C /h，500 800°C溫度段為100°C /h，并分別 270°C、36(TC、 500°C及800°C保溫2小時，隨爐冷卻；排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，升溫速率為5°C /分鐘， 在1150°C燒結(jié)，而后隨爐冷卻。燒結(jié)完成后取出，涂敷中溫銀漿，在800°C保溫0. 5小時成為 電極，在25°C的硅油中極化10分鐘，極化電場為lkV/mm。采用該方法得到的鈮酸鉀鈉-鈦 酸鉍鈉鉀陶瓷壓電常數(shù)d33為280pC/N，平面耦合機電系數(shù)kp為0. 54，品質(zhì)因數(shù)Qm為721， 厚度機電耦合系數(shù)kt為0. 67。實施例2:用傳統(tǒng)固相法將碳酸鈉、碳酸鉀、二氧化鈦、三氧化二鉍、五氧化二鈮按化學(xué)計量 比為0. 97K0.5Na0.5Nb03-0. 03Bi0.5(K0.82Na0.18)Ti03配料。原料放入球磨罐中按氧化鋯球料 為10 1的比例混料，混料過程中不加入其他介質(zhì)。球磨的時間為8小時，轉(zhuǎn)速為350轉(zhuǎn)/ 分鐘，混合好的料壓塊在1000°C溫度下預(yù)燒2小時，取出煅燒的料研碎，再球磨8小時后過 40目篩，球磨轉(zhuǎn)速為350轉(zhuǎn)/分鐘；將粉體加入其質(zhì)量比20%的純凈水、質(zhì)量比1.6%的聚 丙烯酸氨分散劑和質(zhì)量比0. 5%的聚乙烯醇粘合劑，經(jīng)球磨2小時混合均勻而成料漿，球磨 速度為150轉(zhuǎn)/分鐘，采用氣流噴霧造粒；粉體顆粒放入壓機中，在500MPa壓力下得到直徑15毫米厚度1. 2毫米的圓片；放入烘箱中120°C烘8小時成為素片，然后將烘干的素片放入 爐中排膠，升溫速率在25 500°C溫度段為30°C /h，500 800°C溫度段為100°C /h，并分 別在270°C、360°C、50(rC及800°C保溫1小時，隨爐冷卻；排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，升溫 速率為10°C /分鐘，在1250°C燒結(jié)，而后隨爐冷卻。涂敷中溫銀漿，在800°C保溫0.5小時 成為電極，在25°C的硅油中極化30分鐘，極化電場為1.5kV/mm。采用該方法得到的鈮酸鉀 鈉_鈦酸鉍鈉鉀陶瓷壓電常數(shù)d33為373pC/N，平面耦合機電系數(shù)kp為0. 64，品質(zhì)因數(shù)Qm為 558，厚度機電耦合系數(shù)kt為0. 77。圖1給出了鈦酸鉍鉀鈉鈮酸鉀鈉陶瓷的XRD圖譜。實施例3:用傳統(tǒng)固相法將碳酸鈉、碳酸鉀、二氧化鈦、三氧化二鉍、五氧化二鈮按化學(xué)計量 比為0. 85K0.5Na0.5Nb03-0. 15Bi0.5(K0.82Na0.18)Ti03配料。原料放入球磨罐中按氧化鋯球料 為15 1的比例混料，混料過程中不加入其他介質(zhì)。球磨的時間為10小時，轉(zhuǎn)速為450轉(zhuǎn) /分鐘，混合好的料壓塊在1200°C溫度下預(yù)燒2小時，取出煅燒的料研碎，再球磨10小時后 過40目篩，球磨轉(zhuǎn)速為450轉(zhuǎn)/分鐘；將粉體加入其質(zhì)量比40%的純凈水、質(zhì)量比的 聚丙烯酸氨分散劑和質(zhì)量比1. 5%的聚乙烯醇粘合劑，經(jīng)球磨2小時混合均勻而成料漿，球 磨速度為80轉(zhuǎn)/分鐘，采用氣流噴霧造粒；粉體顆粒放入壓機中，在350MPa壓力下得到直 徑15毫米厚度1. 2毫米的圓片；放入烘箱中120°C烘10小時成為素片，然后將烘干的素片 放入爐中排膠，升溫速率在25 500°C時為30°C /h，500 800°C時為100°C /h，并分別在 270°C、360°C、50(rC及800°C保溫2小時，隨爐冷卻；排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，升溫速率 為7°C /分鐘，在1320°C燒結(jié)，而后隨爐冷卻。燒結(jié)完成后取出，涂敷中溫銀漿，在800°C保 溫0. 5小時成為電極，在25°C的硅油中極化20分鐘，極化電場為lkV/mm。采用該方法得到 的鈮酸鉀鈉_鈦酸鉍鈉鉀陶瓷壓電常數(shù)d33為182pC/N，平面耦合機電系數(shù)kp為0. 48，品質(zhì) 因數(shù)Qm為686，厚度機電耦合系數(shù)kt為0. 59。圖2給出了鈦酸鉍鉀鈉鈮酸鉀鈉陶瓷的掃描 電鏡圖片。
權(quán)利要求
一種鈮酸鉀鈉 鈦酸鉍鈉鉀壓電陶瓷，其特征在于其化學(xué)組成通式為(1 x)K0.5Na0.5NbO3 xBi0.5(K0.82Na0.18)TiO3，其中0＜x＜0.2，x為摩爾分?jǐn)?shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的鈮酸鉀鈉-鈦酸鉍鈉鉀壓電陶瓷的制備方法，其特征在于具體 步驟為(1)將碳酸鉀、碳酸鈉、二氧化鈦、三氧化二鉍、五氧化二鈮，按化學(xué)計量比為(I-X)Ka5N a0.5Nb03-xBi0.5(K0.82Na0.18)Ti03 配料，其中0 < χ < 0. 2 ；(2)將步驟(1)配好的料放入球磨機中混料，球/料質(zhì)量比為2 20，球的材質(zhì)為鐵球、 瑪瑙球、氧化鋯球和氧化鋁球中的一種，球磨的時間為6 14小時，轉(zhuǎn)速為200 450轉(zhuǎn)/ 分鐘；(3)將步驟⑵混合好的料壓塊，在900 1300°C溫度下預(yù)燒1 3小時，取出煅燒的 料研碎，再次球磨，球磨時間和轉(zhuǎn)速同步驟⑵，然后粉體過40目蹄，球的材質(zhì)和球/料比同 步驟⑵；(4)將步驟(3)得到的粉體加入其質(zhì)量比10-45%的純凈水、質(zhì)量比0.2 2%的聚丙 烯酸氨分散劑和質(zhì)量比0. 2 2%的聚乙烯醇粘合劑，經(jīng)球磨1 3小時混合均勻而成料 漿，球磨速度為50 300轉(zhuǎn)/分鐘，采用氣流噴霧造粒，得到顆粒直徑為0. 01 1毫米的 鈮酸鉀鈉_鈦酸鉍鈉鉀粉體顆粒；(5)將步驟(4)制得的粉體顆粒放入壓機，在200 900MPa的壓力下壓制出圓片或者 方片；(6)將步驟(5)成型的圓片或者方片放入烘箱中120°C烘1 6小時成為素片，然后將 烘干的素片放入爐中排膠，升溫速率在25 500°C溫度段為30 90°C /h，500 800°C溫 度段為90 120°C /h，并分別在270°C、360°C、50(rC及800°C保溫1 4小時，隨爐冷卻；(7)將步驟(6)得到的素片放入燒結(jié)爐中，以2 12°C/分鐘的升溫速率升至1100 1500°C，保溫1 8小時，然后隨爐冷卻，制得鈮酸鉀鈉-鈦酸鉍鈉鉀壓電陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈮酸鉀鈉-鈦酸鉍鈉鉀壓電陶瓷及其制備方法。鈮酸鉀鈉-鈦酸鉍鈉鉀壓電陶瓷的化學(xué)組成通式為(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xBi0.5(K0.82Na0.18)TiO3，其中0＜x＜0.2；x為摩爾分?jǐn)?shù)。將碳酸鉀、碳酸鈉、二氧化鈦、五氧化二鈮、三氧化二鉍，按化學(xué)計量比(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xBi0.5(K0.82Na0.18)TiO3(0＜x＜0.2；x為摩爾分?jǐn)?shù))配料，經(jīng)過球磨、煅燒、二次球磨、造粒、成型、排膠、高溫?zé)Y(jié)等工序，最終制備具有高壓電性能的鈦酸鉍鉀鈉鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷。本發(fā)明方法大大的提高了無鉛壓電陶瓷體系的壓電性能、提高了材料的工藝穩(wěn)定性，從成分和工藝兩方面使鈮酸鉀鈉體系的無鉛壓電陶瓷達到了實用化水平。
文檔編號C04B35/622GK101891474SQ201010223340
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月8日
發(fā)明者劉來君, 吳枚霞, 方亮, 楊曌, 胡長征 申請人:桂林理工大學(xué)