無鉛壓電鈮酸鉀鈉基光-電多功能材料及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無鉛壓電鈮酸鉀鈉基光-電多功能材料及制備方法，屬于發(fā)光材料【技術(shù)領(lǐng)域】。利用稀土離子與金屬離子間的協(xié)同組合作用，顯著提高無鉛壓電鈮酸鉀鈉基材料的熒光和壓電性能。本發(fā)明包括以下質(zhì)量百分比的組分：(K0.5Na0.5)1-y-xMyLnxNb1-yTiyO3，其中Ln為選自Sm，Pr,Eu的至少之一，M為金屬元素Ca，Sr，Ba中的一種或多種離子；x的取值范圍：0<x≤0.05；y的取值范圍：0<y≤0.2。本發(fā)明具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的(K0.5Na0.5)NbO3（KNN）基質(zhì)材料中摻入一定量的稀土元素實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，通過加入具有相同結(jié)構(gòu)的鐵電材料MTiO3（M=Ca，Sr,，Ba）與KNN形成固溶體使得材料具有優(yōu)越的發(fā)光性能。因此，該多功能材料除了自身具有壓電、鐵電性能的同時(shí)，還具有藍(lán)光激發(fā)的光致發(fā)光特性，在光-電集成器件領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。
【專利說明】無鉛壓電鈮酸鉀鈉基光-電多功能材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明具體涉及一種新型無鉛壓電鈮酸鉀鈉基光-電多功能材料及制備方法，屬于信息功能陶瓷材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著新一代電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，以信息功能材料為核心的元器件正向小型化、集成化、多功能化、智能化方向發(fā)展。與此相應(yīng)的信息功能材料面臨著新的挑戰(zhàn)，迫切要求材料研究者在深入研究和不斷改善材料固有物性的同時(shí)積極探索并拓展其新的功能，即開發(fā)材料的多功能特性，從而拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。壓電、鐵電材料作為典型的多場耦合材料(機(jī)械能和電能)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種智能結(jié)構(gòu)及傳感器和驅(qū)動器等器件中，而隨著微機(jī)電和納機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，壓電材料的多功能化越來越受到人們的重視。開發(fā)和探究以此為基體的新型多功能化材料成為近年來該研究領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)。
[0003]目前，國內(nèi)外研究者通過引入稀土元素不僅能有效調(diào)控壓電鐵電材料的電學(xué)性能，而且由于稀土元素特殊的電子層結(jié)構(gòu)使其能夠作為熒光材料的發(fā)光中心或者敏化劑，而使壓電鐵電材料具有熒光特性，從而賦予了壓電材料新的物理性質(zhì)，引發(fā)了若干新的、有意義的物理現(xiàn)象，使其在新型多功能集成發(fā)光-壓電鐵電器件領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
[0004]然而，在現(xiàn)有的研究中，基于無鉛壓電材料光-電多功能化方面的研究還處于初級階段，無論是壓電材料的光-電性能的改善，還是光-電二者之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)均有待于進(jìn)一步深入研究。目前仍然存在不少問題亟待解決，如:低的壓電性能和發(fā)光效率，使得壓電基體與稀土發(fā)光中心之間弱的耦合作用，難以滿足新型光電集成器件的性能要求，嚴(yán)重制約著光電集成器件的實(shí)用化近程，因此，提高具有高壓電性能的鈮酸鉀鈉[(Ka5Naa5)NbO3(KNN)](居里溫度=420 °C，室溫下壓電系數(shù)=80 pC/N，機(jī)電耦合系數(shù)=36%)基無鉛壓電材料的發(fā)光效率成為具有重要生產(chǎn)實(shí)踐意義的問題。對于發(fā)光材料而言，當(dāng)選擇合適的元素對A位或B位離子進(jìn)行替代,可以提高其發(fā)光性能,如Ryu H(Acta Materialia, 2008, 56(3): 358-63)等人采用對SrTiO3 = Pr3+熒光粉的A位離子Sr用Mg和Zn替代，發(fā)現(xiàn)替代后的SrTiO3:Pr3+突光粉的發(fā)光性能得到顯著提高；Wang X S (Japanese Journal of AppliedPhysics, 2005, 44: 912-914)等人通過對CaTiO3 = Pr3+熒光粉的A位離子Ca用Ba和Sr進(jìn)行取代，提高了其發(fā)光性能，其中用Sr取代后的熒光粉Caa7Sra3TiO3 = Pr3+的發(fā)光強(qiáng)度是CaTiO3IPr3+的192%。結(jié)合上面的分析，單一的Ca2+、Sr2+、Ba2+的引入能提高材料發(fā)光性能。在稀土摻雜的KNN基體中，如果將具有相同結(jié)構(gòu)的MTiO3 (M=Ca, Sr, Ba)鐵電材料引入到KNN基體中，形成固溶體，在準(zhǔn)同型相界(MPB)附近其壓電性能將得到增強(qiáng)的同時(shí)，又可以實(shí)現(xiàn)A、B位離子的共同取代，從而達(dá)到進(jìn)一步提高稀土摻雜KNN基材料的發(fā)光性能。
[0005]根據(jù)目前所調(diào)研的數(shù)據(jù)，到目前為止并沒有關(guān)于如何獲得高效率的KNN基無鉛壓電發(fā)光材料類的相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種能有效增強(qiáng)鈮酸鉀鈉基無鉛壓電發(fā)光材料及制備方法，在一定程度上解決上述所存在的問題。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明利用不同離子間的組合作用，采用如下技術(shù)方案:在稀土摻雜的KNN鈣鈦礦結(jié)構(gòu)基質(zhì)中引入具有同樣結(jié)構(gòu)的壓電材料，如:CaTi03、SrTiO3>BaTiO3，二者形成固溶體。通過同時(shí)調(diào)控鈣鈦礦結(jié)構(gòu)ABO3中A位和B位的離子替代來獲得高效率的發(fā)光特性，其化學(xué)成分通式可以表示為:(l_y) (Ka5Naa^xLnxNbOJyMTiO3，其中Ln為選自Sm, Pr, Eu的至少之一，M為金屬元素Ca, Sr, Ba中的一種或多種離子；x的取值范圍:0〈x ( 0.05 ；y的取值范圍:0〈y ( 0.2。由此可以進(jìn)一步提高稀土摻雜KNN基壓電材料的發(fā)光強(qiáng)度。
[0008]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明稀土摻雜鈮酸鉀鈉基無鉛壓電發(fā)光材料中，采用具有相同鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料(CaTi03、SrTiO3> BaTiO3)與KNN基體形成固溶體，通過Ca2+、Sr2+、Ba2+對A位Na+、K+和Ti4+對Nb5+復(fù)合取代，進(jìn)行協(xié)同組合改性，該陶瓷材料在保持了優(yōu)良的壓電鐵電性能的同時(shí)，還具有高的發(fā)光特性。與未加入MTiO3的壓電陶瓷材料相比，其發(fā)光性能提高了約200%。
[0009]進(jìn)一步的，所述的稀土摻雜鈮酸鉀鈉基無鉛壓電發(fā)光材料具有但不限于下列之一所示的化學(xué)組成:
【權(quán)利要求】
1.一種無鉛壓電鈮酸鉀鈉基光-電多功能材料，其特征在于，包括以下質(zhì)量百分比的組分:制備(Ka5Naa^1IxMyLnxNVyTiyO3，其中Ln為選自Sm，Pr，Eu的至少之一，M為金屬元素Ca，Sr, Ba中的一種或多種離子；x的取值范圍:0≤x ≤0.05 ；y的取值范圍:0〈y ≤ 0.2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無鉛壓電鈮酸鉀鈉基光-電多功能材料，其特征在于:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無鉛壓電鈮酸鉀鈉基光-電多功能材料，其特征在于:所述(Ka5Naa5UyLnxNVyTiyO3 為(Ka5Naa5)a 968Caatl3Pracici2Nba97Tiaci3O3,所述材料具有正交鈣鈦礦結(jié)構(gòu)晶型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無鉛壓電鈮酸鉀鈉基光-電多功能材料，其特征在于:所述(Ka5Naa5)1TxMyLnxNVyTiyO3 為(Ka5Naa5) Q.898CaQ.Pracici2Nba9Tic1.A，所述材料具有四方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)晶型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無鉛壓電鈮酸鉀鈉基光-電多功能材料，其特征在于:所述(Ka5Naa5)1TxMyLnxNVyTiyO3 為(Ka5Naa5)a 798Caa2Pratltl2Nba8Tia2O3,所述材料具有四方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)晶型。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無鉛壓電鈮酸鉀鈉基光-電多功能材料，其特征在于:所述材料為由具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電材料MTiO3與具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈮酸鉀鈉基體所形成的固溶體，與未加入MTiO3的壓電陶瓷材料相比，其發(fā)光性能提高了 200%，其中，M=Ca, Sr,Ba。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無鉛壓電鈮酸鉀鈉基光-電多功能材料，其特征在于:所述材料的壓電系數(shù)達(dá)到43=123 pC/N。
8.一種無鉛壓電鈮酸鉀鈉基光-電多功能材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法步驟如下: 采用固相反應(yīng)方法制備(Ka5Naa5) HxMyLnxNlvyTiyO3熒光材料，選取金屬氧化物粉體Na2C03> K2CO3> Nb2O5, Sm2O3> P6O11, Eu203、CaCO3、 SrCO3、 BaCO3、 TiO2 作為起始原料； 2)按照化學(xué)計(jì)量比稱取上述粉體所需的原料； 3)將步驟2)中稱取的原料置于尼龍球磨罐中，加入氧化鋯球和無水乙醇或去離子水球磨20~24小時(shí)，其中氧化鋯球與球磨料的質(zhì)量比為1.2~1.5 ;無水乙醇或去離子水與球磨料的質(zhì)量比為1.5~3.0,出料烘干后過200-300目篩，獲得混合粉料； 4)將步驟3)中的混合粉料放入剛玉坩堝中，在750°C~950°C預(yù)燒4小時(shí)，預(yù)燒溫度曲線為:300C-5000C保溫2h—800°C或1000°C保溫4h—隨爐冷卻至室溫，研磨后得到單相的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的粉體； 5)用8~10%的聚乙烯醇作為粘結(jié)劑對步驟4)中的粉體進(jìn)行造粒，在10~100MPa壓力下，通過成型模具壓制成所需尺寸大小的陶瓷生坯片； 6)將步驟5)中的陶瓷生坯片經(jīng)過550°C的排粘處理后，在1000°C~1270°C下保溫2~6小時(shí)，升溫速率為3°C /min,即可得到所述的無鉛壓電鈮酸鉀鈉基光-電多功能材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種無鉛壓電鈮酸鉀鈉基光-電多功能材料的制備方法，其特征在于:所述材料為由具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電材料MTiO3與具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈮酸鉀鈉基體所形成的固溶體，與未加入MTiO3的壓電陶瓷材料相比，其發(fā)光性能提高了 200%，其中，M=Ca, Sr, Ba。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種無鉛壓電鈮酸鉀鈉基光-電多功能材料的制備方法，其特征在于:所述材料的壓電系數(shù)達(dá)到i/33=123 pC/No
【文檔編號】C04B35/622GK103787658SQ201410045798
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月9日
【發(fā)明者】孫海勤, 張奇?zhèn)? 張濤, 張胤 申請人:內(nèi)蒙古科技大學(xué)