專利名稱：一種鈮酸鈉鉀-鈦酸鋇-鐠酸鋇無鉛壓電陶瓷及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈮酸鈉鉀-鈦酸鋇-鐠酸鋇無鉛壓電陶瓷及制備方法，屬于電子陶瓷領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施和人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，無鉛基壓電陶瓷材料的研究和應(yīng)用日益引起人們的關(guān)注。鈮酸鈉鉀(Ka5Naa5NbO3)是鐵電體KNbO3和反鐵電體 NaNbO3固溶而形成的ABO3鈣鈦礦型鐵電體，具有鐵電性強(qiáng)，居里溫度高及機(jī)電耦合系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)。但是由于Ka 5Na0.5Nb03燒成溫度范圍狹窄，而且在燒結(jié)過程中容易導(dǎo)致Na+和K+揮發(fā)而產(chǎn)生第二相，因此在實(shí)際應(yīng)用中通常采用鈮酸鈉鉀與第二相復(fù)合來擴(kuò)大其燒結(jié)溫度范圍，提高其壓電性能。目前，人們對很多鈮酸鈉鉀固溶體進(jìn)行了深入的研究，比較典型的有 K0.5Na0.5Nb03"LiNb03, K0.5Na0.5Nb03_LiSb03 和 KQ.5Na0.5Nb03-LiTa03,這些鈮酸鋰結(jié)構(gòu)的第二相能很好地提高其燒結(jié)穩(wěn)定性和電學(xué)性能。而采用Ka5Naa5NbO3和其他鈣鈦礦鐵電相復(fù)合，如 Kc^aa5NbO3-BDaa5TiOr K0.5Na0.5Nb03-BaTi03> Ka5Naa5NbO3-BiFeO3 也能獲得較好的壓電性能。然而上面所涉及的所有固溶體都有一個共同的缺點(diǎn)，即它們都是通過調(diào)節(jié) Ka5Naa5NbO3的正交-四方相變共存區(qū)到室溫附近，從而達(dá)到提高其壓電性能的目的。但這樣就導(dǎo)致了壓電性能的溫度穩(wěn)定性不好，即高的壓電性能只能存在于一個比較狹窄的溫度區(qū)域。文獻(xiàn)[R. Wang, H. Bando, Τ. Katsumata, Y. Inaguma, H. Taniguchi, and Μ. Itoh, Phys. Status Solidi RRL 3，(2009) 142144]提出采用比Nb離子半徑大的陽離子取代Nb5+，可以獲得一個負(fù)物理壓力，從而穩(wěn)定Ka5Naa5NbO3的三方相。而采用比Nb離子半徑小的陽離子取代Nb5+，可以穩(wěn)定其四方相。因此，我們采用一種大于Nb5+半徑的陽離子和一種小于Nb5+ 半徑的陽離子來混合取代Ka5Naa5NbO3中的Nb5+，以期在Ka5Naa5NbO3中獲得一個三方-四方共存的準(zhǔn)同型相界，從而獲得壓電性能高、溫度穩(wěn)定性好的無鉛壓電陶瓷體系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種壓電性能高、溫度穩(wěn)定性好的鈮酸鈉鉀-鈦酸鋇-鐠酸鋇無鉛壓電陶瓷及制備方法。本發(fā)明涉及的鈮酸鈉鉀-鈦酸鋇-鐠酸鋇無鉛壓電陶瓷的化學(xué)組成通式為 0. 90K0.5Na0.5Nb03-(0. 10-x)BaTiO3-XBaPrO3,其中0. 01 彡 χ 彡 0. 09，χ 為摩爾分?jǐn)?shù)。上述鈮酸鈉鉀-鈦酸鋇-鐠酸鋇無鉛壓電陶瓷的制備方法為(1)將五氧化二鈮、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸鋇、二氧化鈦和三氧化二鐠按化學(xué)計量比 0. 90K0.5Na0.5Nb03"(0. 10-χ)BaTiO3-XBaPrO3 配料，其中:0. 01 彡 χ 彡 0· 09，χ 為摩爾分?jǐn)?shù)；(2)將步驟(1)中配好的料放入球磨罐中，二氧化鋯球的質(zhì)量是料的質(zhì)量的4 8 倍，然后加入無水乙醇作為介質(zhì)；(3)將步驟⑵混合好的料壓柱，預(yù)燒，打碎，進(jìn)行二次球磨，得到球磨后的粉料；
(4)在步驟(3)得到的粉料中加入質(zhì)量百分比濃度為3 10%的聚乙烯醇溶液， 所加聚乙烯醇溶液的質(zhì)量為粉料質(zhì)量的5 25% ；在100 400MPa的壓力下冷壓成型為圓片；(5)將步驟(4)中成型的圓片放入溫度為100 120°C的烘箱中烘干9 12小時， 得到素片，然后將烘干后的素片放入馬弗爐中排膠，于^(TC保溫1 3小時，隨爐冷卻；(6)將步驟(5)中排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，在1120 1200°C溫度范圍內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)完成后取出，之后印刷銀電極，燒銀溫度為500°C ；(7)將步驟(6)中敷有銀電極的瓷片浸入80°C 140°C的硅油中極化30 60分鐘，極化電場為2 5kV/mm。本發(fā)明有益效果是采用一種大于Nb5+半徑的陽離子和一種小于Nb5+半徑的陽離子來混合取代Ka5Naa5NbO3中的Nb5+，以期在Ka5Naa5NbO3中獲得一個三方-四方共存的準(zhǔn)同型相界，從而獲得壓電性能高、溫度穩(wěn)定性好的無鉛壓電陶瓷體系。本發(fā)明還可通過調(diào)整配方制備出不同壓電、介電性能的無鉛壓電陶瓷，以滿足現(xiàn)實(shí)中不同的應(yīng)用需求。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 用分析純的五氧化二鈮、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸鋇、二氧化鈦和三氧化二鐠為原料， 按照化學(xué)通式0. 90K0.5Na0.5Nb03-0 . 09BaTi03_0. OlBaPrO3配料，將所配原料放入球磨罐中按二氧化鋯球料為4 1的比例混料，混料過程中加入無水乙醇作為介質(zhì)。球磨的時間為6小時，將混合好的料壓成大柱在900°C溫度下預(yù)燒4小時，然后取出研碎，再球磨6小時，烘干后得到粉料；在上述粉料中加入質(zhì)量百分比濃度為3%的聚乙烯醇溶液，所加聚乙烯醇溶液的質(zhì)量為粉料質(zhì)量的25% ；，在IOOMPa的壓力下最終壓成直徑為8mm，厚度約為 2mm的圓片，將其放入烘箱中在100°C的溫度下烘干9小時即成素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，爐溫為550°C，保溫1小時，隨爐冷卻；排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，燒結(jié)溫度為1120°C，自然冷卻，之后印刷銀電極，燒銀溫度500°C，在80°C的硅油中極化30分鐘，極化電場為2kV/mm，得到陶瓷的壓電常數(shù)為182pC/N。實(shí)施例2:用分析純的用分析純的五氧化二鈮、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸鋇、二氧化鈦和三氧化二鐠為原料，按照化學(xué)通式0. 90K0.5Na0.5Nb03-0 . 06BaTi03-0. (MBaPrO3配料，將所配原料放入球磨罐中按二氧化鋯球料為6 1的比例混料，混料過程中加入無水乙醇作為介質(zhì)。球磨的時間為8小時，將混合好的料壓成大柱在900°C溫度下預(yù)燒4小時，然后取出研碎，再球磨8小時，烘干后得到粉料；在上述粉料中加入質(zhì)量百分比濃度為8%的聚乙烯醇溶液，所加聚乙烯醇溶液的質(zhì)量為粉料質(zhì)量的10% ；，在200MPa的壓力下最終壓成直徑為13mm，厚度為約2mm的圓片，放入烘箱中在120°C的溫度下烘干10小時即成素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，爐溫為550°C，保溫2小時，隨爐冷卻；排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，燒結(jié)溫度為1150°C，自然冷卻，之后印刷銀電極，燒銀溫度500°C，在100°C的硅油中極化40分鐘， 極化電場為3kV/mm，得到的陶瓷的壓電常數(shù)為274pC/N。實(shí)施例3:用分析純的用分析純的五氧化二鈮、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸鋇、二氧化鈦和三氧化二鐠為原料，按照化學(xué)通式0. 90K0.5Na0.5Nb03-0. (MBaTiO3-O. 06BaPr03配料，將所配原料放入球磨罐中按二氧化鋯球料為7 1的比例混料，混料過程中加入無水乙醇作為介質(zhì)。球磨的時間為10小時，將混合好的料壓成大柱在900°C的溫度下預(yù)燒4小時，然后取出研碎， 再球磨10小時，烘干后得到粉料；在上述粉料中加入質(zhì)量百分比濃度為8%的聚乙烯醇溶液，所加聚乙烯醇溶液的質(zhì)量為粉料質(zhì)量的15%;在300MPa的壓力下最終壓成直徑為8mm， 厚度約為2mm的圓片，放入烘箱中在100°C的溫度下烘干11小時即成素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，爐溫為550°C，保溫2小時，隨爐冷卻；排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，燒結(jié)溫度為1180°C，自然冷卻，之后印刷銀電極，燒銀溫度500°C，在120°C的硅油中極化50分鐘，極化電場為4kV/mm，得到陶瓷的壓電常數(shù)為325pC/N。實(shí)施例4:用分析純的用分析純的五氧化二鈮、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸鋇、二氧化鈦和三氧化二鐠為原料，按照化學(xué)通式0. 90K0.5Na0.5Nb03-0. OlBaTiO3-O. 09BaPr03配料，將所配原料放入球磨罐中按二氧化鋯球料為8 1的比例混料，混料過程中加入無水乙醇作為介質(zhì)。 球磨的時間為10小時，將混合好的料壓成大柱在900°C溫度下預(yù)燒4小時，然后取出研碎， 再球磨10小時，烘干后得到粉料；在上述粉料中加入質(zhì)量百分比濃度為10%的聚乙烯醇溶液，所加聚乙烯醇溶液的質(zhì)量為粉料質(zhì)量的5%;在400MPa的壓力下最終壓成直徑為13mm， 厚度為2mm的圓片，放入烘箱中在120°C的溫度下烘干12小時即成素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，爐溫為550°C，保溫3小時，隨爐冷卻；排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，燒結(jié)溫度為1200°C，自然冷卻，之后印刷銀電極，燒銀溫度500°C，在140°C的硅油中極化60分鐘， 極化電場為5kV/mm，得到陶瓷的壓電常數(shù)為222pC/N。
權(quán)利要求
1.一種鈮酸鈉鉀-鈦酸鋇-鐠酸鋇無鉛壓電陶瓷，其特征在于鈮酸鈉鉀-鈦酸鋇-鐠酸鋇無鉛壓電陶瓷的化學(xué)組成通式為0. 90K0.5Na0.5Nb03-(0. 10_x)BaTiO3-XBaPrO3，其中 0. 01彡X彡0. 09，X為摩爾分?jǐn)?shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈮酸鈉鉀-鈦酸鋇-鐠酸鋇無鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于具體步驟為(1)將五氧化二鈮、碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸鋇、二氧化鈦和三氧化二鐠按化學(xué)計量比 0. 90K0.5Na0.5Nb03"(0. 10-χ)BaTiO3-XBaPrO3 配料，其中:0. 01 ≤ χ ≥ 0· 09，χ 為摩爾分?jǐn)?shù)；(2)將步驟(1)中配好的料放入球磨罐中，二氧化鋯球的質(zhì)量是料的質(zhì)量的4 8倍， 然后加入無水乙醇作為介質(zhì)；(3)將步驟( 混合好的料壓柱，預(yù)燒，打碎，進(jìn)行二次球磨，得到球磨后的粉料；(4)在步驟C3)得到的粉料中加入質(zhì)量百分比濃度為3 10%的聚乙烯醇溶液，所加聚乙烯醇溶液的質(zhì)量為粉料質(zhì)量的5 25% ；在100 400MPa的壓力下冷壓成型為圓片；(5)將步驟中成型的圓片放入溫度為100 120°C的烘箱中烘干9 12小時，得到素片，然后將烘干后的素片放入馬弗爐中排膠，于^(TC保溫1 3小時，隨爐冷卻；(6)將步驟(5)中排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，在1120 1200°C溫度范圍內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)完成后取出，之后印刷銀電極，燒銀溫度為500°C ；(7)將步驟(6)中敷有銀電極的瓷片浸入80°C 140°C的硅油中極化30 60分鐘，極化電場為2 5kV/mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈮酸鈉鉀-鈦酸鋇-鐠酸鋇無鉛壓電陶瓷及制備方法。按0.90K0.5Na0.5NbO3-(0.10-x)BaTiO3-xBaPrO3組分配料，其中0.01≤x≤0.09，x為摩爾分?jǐn)?shù)。本發(fā)明采用固相反應(yīng)制備上述鈮酸鈉鉀基無鉛壓電陶瓷粉料，粉體經(jīng)造粒、成型和燒結(jié)處理，在其表面被上銀電極，并在硅油浴中極化。本發(fā)明采用一種大于Nb5+半徑的陽離子和一種小于Nb5+半徑的陽離子來混合取代K0.5Na0.5NbO3中的Nb5+，以期在K0.5Na0.5NbO3中獲得一個三方-四方共存的準(zhǔn)同型相界，從而獲得壓電性能高、溫度穩(wěn)定性好的無鉛壓電陶瓷體系。
文檔編號C04B35/495GK102531598SQ20111042571
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者劉來君, 史丹平, 吳爽爽, 鄭少英, 黃延民 申請人:桂林理工大學(xué)