專利名稱：鉭取代的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及到用于壓電器件或電致伸縮器件。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷材料是制作壓電發(fā)聲器、超聲換能器、諧振器、片式多層變壓器、微位移傳感器和其它傳感器、驅(qū)動器等的材料。壓電材料研究發(fā)展甚為迅速，被廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、手機(jī)、液晶顯示器、數(shù)碼相機(jī)、復(fù)印機(jī)、充電器等產(chǎn)品以及航空、航天及國防等尖端技術(shù)的電子設(shè)備中，成為不可缺少的現(xiàn)代化關(guān)鍵材料和新型電子元器件的制備材料。
目前廣泛使用并具有優(yōu)良性能的壓電陶瓷材料是以含有鉛的Pb(Zr，Ti)O3(簡寫為PZT)基為主的多晶材料，其中PbO(或Pb3O4)約占原料總重量的70％，這類陶瓷材料，在生產(chǎn)、使用以及廢棄處理過程中都會給人類和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害。因此，必須采用無鉛的壓電陶瓷材料來替代傳統(tǒng)的PZT基壓電陶瓷材料，減少環(huán)境的污染。在材料技術(shù)領(lǐng)域，研制高性能的無鉛壓電陶瓷材料已成為當(dāng)前迫切需要解決的技術(shù)問題。
(K，Na)NbO3(簡寫為KNN)是堿金屬鈮酸鹽材料中的一種，因其具有高的居里溫度和壓電性能，被認(rèn)為是最有前途取代PZT基的材料之一。采用熱壓技術(shù)可使陶瓷的密度達(dá)到理論密度的99％，壓電常數(shù)d33可達(dá)160pC/N，機(jī)電耦合系數(shù)Kp可達(dá)0.45。然而，K和Na在高溫下易揮發(fā)，采用傳統(tǒng)陶瓷工藝難以獲得致密性良好的陶瓷體，使壓電陶瓷性能變差。據(jù)報(bào)道，其壓電常數(shù)d33僅有70pC/N，機(jī)電耦合系數(shù)Kp僅有0.25。另外，組分微小的變化導(dǎo)致了壓電陶瓷雜相的形成，使得壓電陶瓷易于潮解。采用熱壓、熱煅、電火花燒結(jié)工藝能夠獲得致密性和電性能好的壓電陶瓷，但設(shè)備復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高，材料尺寸大小受到了限制，難以實(shí)用化。傳統(tǒng)壓電陶瓷工藝成本低，方法簡單，可用于大規(guī)模生產(chǎn)。世界各國的學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)開展了大量的研究工作，試圖通過開發(fā)(K，Na)NbO3基新體系或者摻雜改性等手段用傳統(tǒng)固相法制備出高性能的壓電陶瓷。但結(jié)果表明雖然壓電陶瓷的部分性能參數(shù)有一定的提高，但另一部分性能參數(shù)被惡化。無鉛壓電陶瓷的實(shí)用化應(yīng)該以壓電陶瓷綜合性能參數(shù)的優(yōu)化為前提。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的一個技術(shù)問題在于克服上述PZT基壓電陶瓷和(K，Na)NbO3基壓電陶瓷材料的缺點(diǎn)，提供一種性能好、實(shí)用性強(qiáng)、易生產(chǎn)、無環(huán)境污染、摻雜的、組分多的鉭取代的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷。
本發(fā)明所要解決的另一個技術(shù)問題在于提供一種鉭取代的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的制備方法。
解決上述技術(shù)問題所采用的方案是用通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.96-xTaxSb0.04)O3表示的材料組成，式中x表示組成元素的原子數(shù)，0.00≤x≤0.40。
本發(fā)明用通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.96-xTaxSb0.04)O3表示的材料組成，式中x表示組成元素的原子數(shù)，x的優(yōu)選取值范圍0.15≤x≤0.25。
本發(fā)明用通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.96-xTaxSb0.04)O3表示的材料組成，式中x表示組成元素的原子數(shù)，x的最佳取值為0.20。
上述鉭取代的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的制備方法包括步驟如下1、原料預(yù)處理分別將通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.96-xTaxSb0.04)O3的各原料放入培養(yǎng)皿，培養(yǎng)皿放入烘箱，在200℃下烘4小時，以除去原料中吸附的水分。
2、混合原料將步驟1處理后的原料按通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.96-xTaxSb0.04)O3的配比進(jìn)行稱量、配料，分別使用無水乙醇為介質(zhì)，用行星球磨機(jī)進(jìn)行濕磨，400轉(zhuǎn)/分球磨12小時，放入烘箱內(nèi)，在80℃下烘干，用瑪瑙研缽磨碎，過100目篩，制成干粉。
3、預(yù)燒將干粉放入氧化鋁坩堝中，加蓋，將蓋敞開1/4，放入程序控溫箱式爐中，連續(xù)升溫至850℃，保溫9小時，降溫至室溫，取出粉，用瑪瑙研缽磨細(xì)，過100目篩，制備成預(yù)燒粉體。
4、造粒將步驟3制備的預(yù)燒粉體放入瑪瑙研缽中，加入濃度為5％的聚乙烯醇，總加入量等于預(yù)燒粉體重量的50～80％，用瑪瑙研缽充分研磨，自然干燥，造粒，過100目篩，制成球狀粉粒。
5、制作素坯將經(jīng)過造粒后的球狀粉粒放入不銹鋼模具內(nèi)，用油壓機(jī)300MPa壓制成素坯。
6、排膠已制作的素坯放入無蓋的氧化鋁匣缽內(nèi)的氧化鋯板上，放入程序控溫箱式爐內(nèi)，連續(xù)升溫至500℃，保溫1小時，關(guān)斷電源自然冷卻至室溫。
7、燒結(jié)將步驟6排膠后的素坯放入蓋蓋子的氧化鋁匣缽內(nèi)的氧化鋯板上，放入程序控溫箱式爐內(nèi)，連續(xù)升溫至1085～1220℃，燒結(jié)2小時，降溫至室溫，制成陶瓷素片。
8、被銀將步驟7制備的陶瓷素片用800目細(xì)砂紙打磨，用功率為50W的超聲清洗機(jī)、頻率為40KHz的超聲波清洗30分鐘，在陶瓷素片的兩表面刷上銀漿，放入烘箱內(nèi)120℃烘干，放在絲網(wǎng)上，放入程序控溫箱式爐中，連續(xù)升溫至850℃，保溫30分鐘，降溫至室溫，制成被銀陶瓷片。
9、極化將步驟8制備的被銀陶瓷片放入極化裝置的硅油中，油浴加熱至80℃，3kV/mm電壓下極化15分鐘，放置24小時進(jìn)行老化，制成鉭取代的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷。
10、檢驗(yàn)按照美國無線電工程師學(xué)會制定的壓電器件標(biāo)準(zhǔn)(IRE)進(jìn)行檢驗(yàn)。
采用本發(fā)明方法制備的鉭取代鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷材料進(jìn)行了測試，壓電常數(shù)d33為252pC/N，機(jī)電耦合系數(shù)Kp為0.42，介電常數(shù)εr為1503，介電損耗tanδ可低至0.025，壓電陶瓷材料的介電性能、壓電性能的時間穩(wěn)定性好。本發(fā)明鉭取代鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷具有介電性能參數(shù)和壓電性能參數(shù)高、時間穩(wěn)定性好、制備工藝簡單穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可用于制作發(fā)聲器、超聲換能器、諧振器等器件的材料。


圖1是Ta含量不同的陶瓷的X射線衍射圖譜。
圖2是Ta含量為0.00的陶瓷的表面(a)和斷面(b)的掃描電鏡照片。
圖3是Ta含量為0.05的陶瓷的表面(a)和斷面(b)的掃描電鏡照片。
圖4是Ta含量為0.10的陶瓷的表面(a)和斷面(b)的掃描電鏡照片。
圖5是Ta含量為0.15的陶瓷的表面(a)和斷面(b)的掃描電鏡照片。
圖6是Ta含量為0.20的陶瓷的表面(a)和斷面(b)的掃描電鏡照片。
圖7是Ta含量為0.25的陶瓷的表面(a)和斷面(b)的掃描電鏡照片。
圖8是Ta含量為0.30的陶瓷的表面(a)和斷面(b)的掃描電鏡照片。
圖9是Ta含量為0.40的陶瓷的表面(a)和斷面(b)的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明詳細(xì)說明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1以生產(chǎn)本發(fā)明產(chǎn)品所用的原料100kg為例，x為0.20時，用通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.76Ta0.20Sb0.04)O3表示的原料及其重量配比為純度99％的無水碳酸鉀 14.53kg純度99.8％的無水碳酸鈉 13.06kg純度98％的碳酸鋰 0.71kg純度99.5％的五氧化二鈮 48.01kg純度99.99％的五氧化二鉭 20.90kg純度99％的三氧化二銻 2.79kg其制備方法步驟如下1、原料預(yù)處理分別將各原料放入培養(yǎng)皿，培養(yǎng)皿放入烘箱，在200℃下烘4小時，以除去原料中吸附的水分。
2、混合原料將步驟1處理后的原料按通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.76Ta0.20Sb0.04)O3的配比進(jìn)行配料，分別使用無水乙醇為介質(zhì)，用球磨機(jī)進(jìn)行濕磨，400轉(zhuǎn)/分球磨12小時，放入烘箱內(nèi)，在80℃下烘干，用瑪瑙研缽磨碎，過100目篩，制成干粉。
3、預(yù)燒將干粉放入氧化鋁坩堝中，加蓋，將蓋敞開1/4，放入程序控溫箱式爐中，連續(xù)升溫至850℃，保溫9小時，降溫至室溫，取出粉，用瑪瑙研缽磨細(xì)，過100目篩，制備成預(yù)燒粉體。
4、造粒將工藝步驟3制備的預(yù)燒粉體放入瑪瑙研缽中，加入濃度為5％的聚乙烯醇，總加入量等于預(yù)燒粉體重量的65％，用瑪瑙研缽充分研磨，自然干燥，造粒，過100目篩，制成球狀粉粒。
5、制作素坯將經(jīng)過造粒后的球狀粉粒放入不銹鋼模具內(nèi)，用油壓機(jī)300MPa壓制成素坯。
6、排膠已制作的素坯放入無蓋的氧化鋁匣缽內(nèi)的鋯板上，放入程序控溫箱式爐內(nèi)，連續(xù)升溫至500℃，保溫1小時，關(guān)斷電源自然冷卻至室溫。
7、燒結(jié)將步驟6排膠后的素坯放入蓋蓋子的氧化鋁匣缽內(nèi)的鋯板上，放入程序控溫箱式爐內(nèi)，連續(xù)升溫至1125℃，燒結(jié)2小時，降溫至室溫，制成陶瓷素片。
8、被銀將步驟7制備的陶瓷素片用800目細(xì)砂紙打磨，用功率為50W的超聲清洗機(jī)、頻率為40KHz的超聲波清洗30分鐘，在陶瓷素片的兩表面刷上銀漿，放入烘箱內(nèi)120℃烘干，放在絲網(wǎng)上，放入程序控溫箱式爐中，連續(xù)升溫至850℃，保溫30分鐘，降溫至室溫，制成被銀陶瓷片。
9、極化將步驟8制備的被銀陶瓷片放入極化裝置的硅油中，油浴加熱至80℃，3kV/mm電壓下極化15分鐘，放置24小時進(jìn)行老化，制成鉭取代的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷。
10、檢驗(yàn)按照美國無線電工程師學(xué)會制定的壓電器件標(biāo)準(zhǔn)(IRE)進(jìn)行檢驗(yàn)。
實(shí)施例2以生產(chǎn)本發(fā)明產(chǎn)品所用的原料100kg為例，x為0.00時，用通式[(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.96Sb0.04)O3表示的原料及其重量配比為純度99％的無水碳酸鉀 15.83kg純度99.8％的無水碳酸鈉 14.24kg純度98％的碳酸鋰 0.78kg純度99.5％的五氧化二鈮 66.11kg純度99％的三氧化二銻 3.04kg其制備方法如下本實(shí)施例在混料工藝步驟2中，按通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.96Sb0.04)O3表示的原料進(jìn)行配料，在造粒工藝步驟4中，將工藝步驟3制備的預(yù)燒粉體放入瑪瑙研缽中，加入濃度為5％的聚乙烯醇，總加入量等于預(yù)燒粉體重量的50％，在燒結(jié)工藝步驟7中，連續(xù)升溫至1100℃，燒結(jié)2小時。其它工藝步驟與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例3以生產(chǎn)本發(fā)明產(chǎn)品所用的原料100kg為例，x為0.05時，用通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.91Ta0.05Sb0.04)O3表示的原料及其重量配比為純度99％的無水碳酸鉀 15.49kg純度99.8％的無水碳酸鈉 13.92kg純度98％的碳酸鋰 0.76kg純度99.5％的五氧化二鈮 61.29kg純度99.99％的五氧化二鉭 5.57kg純度99％的三氧化二銻 2.97kg其制備方法如下本實(shí)施例在混料工藝步驟2中，按通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.91Ta0.05Sb0.04)O3表示的原料進(jìn)行配料，在造粒工藝步驟4中，將工藝步驟3制備的預(yù)燒粉體放入瑪瑙研缽中，加入濃度為5％的聚乙烯醇，總加入量等于預(yù)燒粉體重量的80％，在燒結(jié)工藝步驟7中，連續(xù)升溫至1110℃，燒結(jié)2小時。其它工藝步驟與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例4以生產(chǎn)本發(fā)明產(chǎn)品所用的原料100kg為例，x為0.10時，用通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.86Ta0.10Sb0.04)O3表示的原料及其重量配比為純度99％的無水碳酸鉀15.15kg純度99.8％的無水碳酸鈉 13.62kg純度98％的碳酸鋰0.75kg純度99.5％的五氧化二鈮 56.67kg純度99.99％的五氧化二鉭 10.90kg純度99％的三氧化二銻2.91kg其制備方法如下本實(shí)施例在混料工藝步驟2中，按通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.86Ta0.10Sb0.04)O3表示的原料進(jìn)行配料，在燒結(jié)工藝步驟7中，連續(xù)升溫至1115℃，燒結(jié)2小時。其它工藝步驟與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例5以生產(chǎn)本發(fā)明產(chǎn)品所用的原料100kg為例，x為0.15時，用通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.81Ta0.15Sb0.04)O3表示的原料及其重量配比為純度99％的無水碳酸鉀 14.83kg純度99.8％的無水碳酸鈉 13.34kg純度98％的碳酸鋰 0.73kg純度99.5％的五氧化二鈮 52.25kg純度99.99％的五氧化二鉭16.01kg純度99％的三氧化二銻 2.84kg其制備方法如下本實(shí)施例在混料工藝步驟2中，按通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.81Ta0.15Sb0.04)O3表示的原料進(jìn)行配料，在燒結(jié)工藝步驟7中，連續(xù)升溫至1115℃，燒結(jié)2小時。其它工藝步驟與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例6以生產(chǎn)本發(fā)明產(chǎn)品所用的原料100kg為例，x為0.25時，用通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.71Ta0.25Sb0.04)O3表示的原料及其重量配比為純度99％的無水碳酸鉀 14.23kg純度99.8％的無水碳酸鈉12.79kg純度98％的碳酸鋰 0.70kg純度99.5％的五氧化二鈮43.95kg純度99.99％的五氧化二鉭 25.60kg純度99％的三氧化二銻 2.73kg其制備方法如下本實(shí)施例在混料工藝步驟2中，按通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.71Ta0.25Sb0.04)O3表示的原料進(jìn)行配料，在燒結(jié)工藝步驟7中，連續(xù)升溫至1150℃，燒結(jié)2小時。其它工藝步驟與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例7以生產(chǎn)本發(fā)明產(chǎn)品所用的原料100kg為例，x為0.30時，用通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.66Ta0.30Sb0.04)O3表示的原料及其重量配比為純度99％的無水碳酸鉀 13.95kg
純度99.8％的無水碳酸鈉12.54kg純度98％的碳酸鋰 0.69kg純度99.5％的五氧化二鈮40.04kg純度99.99％的五氧化二鉭 30.11kg純度99％的三氧化二銻 2.67kg其制備方法如下本實(shí)施例在混料工藝步驟2中，按通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.66Ta0.30Sb0.04)O3表示的原料進(jìn)行配料，在燒結(jié)工藝步驟7中，連續(xù)升溫至1165℃，燒結(jié)2小時。其它工藝步驟與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例8以生產(chǎn)本發(fā)明產(chǎn)品所用的原料100kg為例，x為0.40時，用通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.56Ta0.40Sb0.04)O3表示的原料及其重量配比為純度99％的無水碳酸鉀 13.42kg純度99.8％的無水碳酸鈉12.06kg純度98％的碳酸鋰 0.66kg純度99.5％的五氧化二鈮32.68kg純度99.99％的五氧化二鉭 38.61kg純度99％的三氧化二銻 2.57kg其制備方法如下本實(shí)施例在混料工藝步驟2中，按通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.56Ta0.40Sb0.04)O3表示的原料進(jìn)行配料，在燒結(jié)工藝步驟7中，連續(xù)升溫至1200℃，燒結(jié)2小時。其它工藝步驟與實(shí)施例1相同。
為了確定本發(fā)明的最佳重量配比以及最佳的制備方法，按照IRE標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)明人進(jìn)行了在1085～1220℃下燒結(jié)過的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的介電、壓電性能測試實(shí)驗(yàn)，各種實(shí)驗(yàn)情況如下測試儀器HP4294A型精密LCR電橋測試儀，由安捷倫科技有限公司生產(chǎn)；準(zhǔn)靜態(tài)d33測試儀，由中國科學(xué)院聲學(xué)研究所生產(chǎn)；HP4294A精密阻抗分析儀，由安捷倫科技有限公司生產(chǎn)；X射線衍射儀(D/max-2200)，由日本理學(xué)公司生產(chǎn)；掃描電鏡(Quanta 200)，由荷蘭菲利浦FEI公司生產(chǎn)。
1、Ta含量對陶瓷相結(jié)構(gòu)的影響用X射線衍射儀(D/max-2200)按儀器的測試方法測試不同Ta含量所制備的壓電陶瓷的相結(jié)構(gòu)。測試結(jié)果見圖1。
由圖1可以看出，不同Ta含量所制備的壓電陶瓷都是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。當(dāng)x為0.00時，壓電陶瓷為正交晶系。隨著x的增大，壓電陶瓷發(fā)生了從正交向四方晶系的轉(zhuǎn)變。當(dāng)x為0.20時，壓電陶瓷為四方晶系。繼續(xù)增大x，壓電陶瓷又發(fā)生了從四方向偽立方晶系的轉(zhuǎn)變。當(dāng)x為0.40時，壓電陶瓷材料為偽立方晶系。
2、Ta含量對陶瓷表面和斷面微觀形貌的影響用掃描電鏡觀察實(shí)施例1～8即采用x為0.00、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.40時，所制備的壓電陶瓷表面和斷面的微觀形貌。觀測結(jié)果見圖2～9。
由圖2可以看出，當(dāng)x為0.00時，陶瓷晶粒大小不均勻，為2～10μm，且陶瓷氣孔非常多。由圖3可以看出，隨著x增大到0.05，陶瓷的平均粒徑下降，陶瓷氣孔開始減小。由圖4可以看出，當(dāng)x增大到0.10時，陶瓷的平均粒徑繼續(xù)下降。陶瓷氣孔繼續(xù)減少。由圖5可以看出，當(dāng)x增大到0.15時，陶瓷的平均粒徑繼續(xù)下降，晶粒大小開始變得均勻，陶瓷氣孔非常少。由圖6可以看出，當(dāng)x為0.20時，陶瓷晶粒粒徑小且大小均勻，為1～4μm。陶瓷基本沒有氣孔，非常致密。由圖7可以看出，增加x到0.25時，陶瓷的平均粒徑變化不大，陶瓷開始出現(xiàn)氣孔。
由圖8可以看出，增加x到0.30時，陶瓷的平均粒徑變化不大，陶瓷氣孔增多了。
由圖9可以看出，繼續(xù)增加x到0.40時，陶瓷的平均粒徑變化不大，陶瓷氣孔非常多。當(dāng)x為0.20時，可以得到粒徑小且大小均一、非常致密的壓電陶瓷。
3、摻鉭含量和燒結(jié)溫度對壓電陶瓷的介電和壓電性能參數(shù)的影響不同Ta含量、不同燒結(jié)溫度所制備的壓電陶瓷測量其介電性能參數(shù)和壓電性能參數(shù)。
測量介電特性參數(shù)采用HP4294A型精密LCR電橋測試不同組分、不同燒結(jié)溫度下的陶瓷在10kHz下的電容C和介電損耗tanδ，計(jì)算出介電常數(shù)εr。其計(jì)算公式為εr＝4Ct/(πε0d2)其中，t為壓電陶瓷片的厚度，ε0為真空介電常數(shù)(8.85*10-12F/m)，d為壓電陶瓷片的直徑。
測量壓電性能參數(shù)采用準(zhǔn)靜態(tài)d33測試儀按儀器的操作方法測出不同組分、不同燒結(jié)溫度下的壓電陶瓷的壓電常數(shù)d33。用HP4294A精密阻抗分析儀按照諧振-反諧振法測出壓電陶瓷的諧振頻率fr、反諧振頻率fa和相應(yīng)的諧振阻抗Rf，計(jì)算出機(jī)電系數(shù)Kp和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm，其計(jì)算公式為Kp＝
-1/2Qm＝fa2[2πRfCfr(fa2-fr2)]-1測試和計(jì)算的介電性能參數(shù)和壓電性能參數(shù)結(jié)果見表1。
表1不同燒結(jié)溫度下(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.96-xTaxSb0.04)O3壓電陶瓷的介電和壓電性能參數(shù)

由表1可知(1)燒結(jié)溫度對同一組分的陶瓷具有影響作用。x為0.00、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.40的壓電陶瓷材料，其最佳燒結(jié)溫度分別是1100℃、1110℃、1115℃、1115℃、1125℃、1150℃、1165℃、1200℃。在壓電陶瓷的組成中，摻Ta含量不同，燒結(jié)的最佳溫度不同。
(2)在最佳燒結(jié)溫度條件下，壓電陶瓷隨摻鉭含量變化其介電特性參數(shù)和壓電性能參數(shù)變化顯著。x為0.00時，d33為123pC/N，Kp為0.23，εr有550，tanδ高達(dá)0.052。隨著Ta含量的增大，d33、Kp和εr迅速增加，tanδ迅速降低。x為0.20時，d33高達(dá)252pC/N，Kp高達(dá)0.42，εr高達(dá)1503，tanδ低至0.025。隨著Ta含量的繼續(xù)增大，d33和Kp開始降低，εr繼續(xù)增加，tanδ開始升高。另外，Qm隨Ta含量的增大其變化不是很明顯，一直小于100。摻入x為0.15～0.25的鉭，可以大大提高(K，Na)NbO3基的壓電和介電性能參數(shù)。
(3)綜上，當(dāng)鉭含量在x為0.15～0.25范圍內(nèi)且燒結(jié)溫度1115～1150℃之間，可以得到高性能的摻鉭(K，Na)NbO3基壓電陶瓷，其性能參數(shù)為d33為196～252pC/N，Kp為0.33～0.42，Qm為52～53，εr為13561598，tanδ為0.025～0.031。其最佳的壓電陶瓷組分x為0.20，其最佳燒結(jié)溫度為1125℃，壓電陶瓷具有最優(yōu)的綜合電性能參數(shù)，其d33為252pC/N，Kp為0.42，Qm為52，εr為1503，tanδ為0.025。
4、無鉛壓電陶瓷的性能參數(shù)隨時間的變化情況將x為0.15和0.20制備的壓電陶瓷放置1～9周，測試其d33、Kp及tanδ隨時間的變化情況，確定壓電陶瓷性能參數(shù)的時間穩(wěn)定性。用HP4294A型精密LCR電橋測試儀，按照儀器的操作方法測試壓電陶瓷在10kHz下的介電損耗tanδ，用準(zhǔn)靜態(tài)d33測試儀按照儀器的操作方法測試陶瓷的壓電常數(shù)d33。用HP4294A精密阻抗分析儀，按照諧振-反諧振法測出陶瓷的諧振頻率fr和反諧振頻率fa，算出機(jī)電系數(shù)Kp，其計(jì)算公式為Kp＝
-1/2x為0.15時壓電陶瓷的d33、Kp和tanδ隨時間的變化測試以及計(jì)算結(jié)果見表2。
x為0.20時壓電陶瓷的d33、Kp和tanδ隨時間的變化測試以及計(jì)算結(jié)果見表3。
表2 x為0.15時壓電陶瓷的d33、Kp和tanδ隨時間變化關(guān)系

由表2可以看出，經(jīng)過9周后，d33只降了9pC/N，Kp降了0.01，tanδ只升高了0.003，說明該壓電陶瓷具有好的時間穩(wěn)定性。
表3 x為0.20時陶瓷的d33、Kp和tanδ隨時間變化關(guān)系

由表3可以看出，經(jīng)過9周后，d33只降了8pC/N，Kp降了0.01，tanδ只升高了0.008，說明該壓電陶瓷具有好的時間穩(wěn)定性。
當(dāng)x為0.15～0.20時，(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.96-xTaxSb0.04)O3陶瓷材料具有良好的時間穩(wěn)定性。
結(jié)論采用本發(fā)明方法制備的鉭取代鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷材料測試結(jié)果表明，壓電常數(shù)d33高達(dá)252pC/N，機(jī)電耦合系數(shù)Kp高達(dá)0.42，介電常數(shù)εr為1503，介電損耗tanδ可低至0.025，壓電陶瓷材料的介電性能、壓電性能的時間穩(wěn)定性好。本發(fā)明鉭取代鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷具有介電性能參數(shù)和壓電性能參數(shù)高、時間穩(wěn)定性好、制備工藝簡單穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可用于制作發(fā)聲器、超聲換能器、諧振器等器件的材料。
權(quán)利要求
1.一種鉭取代的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，其特征在于用通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.96-xTaxSb0.04)O3表示的材料組成，式中x表示組成元素的原子數(shù)，0.00≤x≤0.40。
2.按照權(quán)利要求1所述的鉭取代的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，其特征在于在通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.96-xTaxSb0.04)O3中，其中x取值范圍為0.15≤x≤0.25。
3.按照權(quán)利要求1所述的鉭取代的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，其特征在于在通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.96-xTaxSb0.04)O3中，其中x為0.20。
4.一種制備權(quán)利要求1的方法，其特征在于它包括下述步驟(1)原料預(yù)處理分別將通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.96-xTaxSb0.04)O3的各原料放入培養(yǎng)皿，培養(yǎng)皿放入烘箱，在200℃下烘4小時；(2)混合原料將步驟(1)處理后的原料按通式(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.96-xTaxSb0.04)O3的配比進(jìn)行稱量、配料，分別使用無水乙醇為介質(zhì)，用球磨機(jī)進(jìn)行濕磨，400轉(zhuǎn)/分球磨12小時，放入烘箱內(nèi)，在80℃下烘干，用瑪瑙研缽磨碎，過100目篩，制成干粉；(3)預(yù)燒將干粉放入氧化鋁坩堝中，加蓋，將蓋敞開1/4，放入程序控溫箱式爐中，連續(xù)升溫至850℃，保溫9小時，降溫至室溫，取出粉，用瑪瑙研缽磨細(xì)，過100目篩，制備成預(yù)燒粉體；(4)造粒將步驟(3)制備的預(yù)燒粉體放入瑪瑙研缽中，加入濃度為5％的聚乙烯醇，總加入量等于預(yù)燒粉體重量的50～80％，用瑪瑙研缽充分研磨，自然干燥，造粒，過100目篩，制成球狀粉粒；(5)制作素坯將經(jīng)過造粒后的球狀粉粒放入不銹鋼模具內(nèi)，用油壓機(jī)300MPa壓制成素坯；(6)排膠已制作的素坯放入無蓋的氧化鋁匣缽內(nèi)的鋯板上，放入程序控溫箱式爐內(nèi)，連續(xù)升溫至500℃，保溫1小時，關(guān)斷電源自然冷卻至室溫；(7)燒結(jié)將步驟(6)排膠后的素坯放入蓋蓋子的氧化鋁匣缽內(nèi)的鋯板上，放入程序控溫箱式爐內(nèi)，連續(xù)升溫至1085～1220℃，燒結(jié)2小時，降溫至室溫，制成陶瓷素片；(8)被銀將步驟(7)制備的陶瓷素片用800目細(xì)砂紙打磨，用功率為50W的超聲清洗機(jī)、頻率為40KHz的超聲波清洗30分鐘，在陶瓷素片的兩表面刷上銀漿，放入烘箱內(nèi)120℃烘干，放在絲網(wǎng)上，放入程序控溫箱式爐中，連續(xù)升溫至850℃，保溫30分鐘，降溫至室溫，制成被銀陶瓷片；(9)極化將步驟(8)制備的被銀陶瓷片放入極化裝置的硅油中，油浴加熱至80℃，3kV/mm電壓下極化15分鐘，放置24小時進(jìn)行老化，制成鉭取代的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷；(10)檢驗(yàn)按照美國無線電工程師學(xué)會制定的壓電器件標(biāo)準(zhǔn)，即IRE標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介檢驗(yàn)。
全文摘要
一種鉭取代的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷，用通式(K
文檔編號C04B35/622GK1958511SQ200610104948
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月23日
發(fā)明者楊祖培, 常云飛, 魏靈靈, 劉冰, 晁小練, 張銳 申請人:陜西師范大學(xué)