專利名稱：一種鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷及其兩步燒結(jié)制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種以成分為特征的陶瓷組合物，特別涉及一種鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷及其兩步燒結(jié)制備方法。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷材料應(yīng)用遍及社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域及人們生活的各個(gè)方面。目前，應(yīng)用最廣泛的鉛基壓電陶瓷(PZT)，在制備、使用、廢棄過(guò)程中由于鉛的存在對(duì)人類及生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的危害，因此研究和開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的無(wú)鉛壓電陶瓷，意義深遠(yuǎn)且十分迫切。目前人們已開(kāi)發(fā)出多種無(wú)鉛壓電陶瓷，BaTiO3是最早發(fā)現(xiàn)的典型的無(wú)鉛壓電材料，但由于其居里點(diǎn)低及燒結(jié)溫度高限制了其應(yīng)用。鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷，因其具有高的居里溫度和優(yōu)異的壓電性能，被認(rèn)為是最有前途取代鉛基壓電陶瓷的材料之一?，F(xiàn)有技術(shù)中在KNN陶瓷的基礎(chǔ)上對(duì)其同時(shí)進(jìn)行A位Li摻雜和B位Ta、Sb摻雜，利用傳統(tǒng)固相燒結(jié) 工藝得到了 d33>300pC/N的壓電陶瓷，能與商用PZT系陶瓷性能匹敵。但是KNN基壓電陶瓷在制備過(guò)程中堿金屬丟失是一個(gè)大問(wèn)題。目前，人們大多通過(guò)摻雜改性和改進(jìn)工藝來(lái)降低燒結(jié)溫度以減少堿的揮發(fā)，而通過(guò)兩步燒結(jié)和堿的彌補(bǔ)以減少堿的揮發(fā)則不曾報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，是為解決鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷材料制備過(guò)程中堿金屬丟失的問(wèn)題，提供一種添加鈮酸鉀，兩步燒結(jié)制備鋰鉭銻改性的鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷材料及其制備方法。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案為一種鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷，其原料組成及其摩爾比aKNb03-(l-a)(Na0.52K0.44[ ο. 04) (Nb0.88Sb0.08Ta0.04) 03，其中 a-0. 04 O. 06。所述外加的KNbO3為5%摩爾。其原料組成及其摩爾比為aKNb03- (1-a)(Na0.52K0.44[ ο. 04) (Nb。. S8Sbatl8Taatl4) 03，其中 a-O. 05。其壓電系數(shù)d33為259 328pC/N，剩余極化強(qiáng)度Pr和矯頑場(chǎng)E。分別為17 23 μ C/cm2 和 O. 5 O. 7kV/mnin一種鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷的兩步燒結(jié)制備方法，具有如下步驟(I)分別按(Naa52K0.44Li0.04) (Nba88Sbatl8Taatl4)O3 和 KNbO3 的化學(xué)計(jì)量比稱取原料、混合、球磨和烘干，配制A、B基本原料；(2)將步驟(I)的A、B基本原料分別于800°C預(yù)燒，保溫時(shí)間為3h，得到A、B粉料；(3)將步驟(2)的 A、B 粉料按 BKNbO3-(1-a) (Naa52Ka44Liatl4) (Nba88Sbatl8Taatl4)O3,其中a=0. 04 O. 06化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料，再混料、二次球磨、造粒、成型、排膠；(4)將步驟(3)排膠后的坯體于1130 1150°C下進(jìn)行第一步燒結(jié)，保溫Imin ；(5)由步驟(4)第一步燒結(jié)1130 1150°C的燒結(jié)溫度降溫至900 1040°C，保溫7h，進(jìn)行第二步燒結(jié)，自然冷卻至室溫，制得鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷。
所述步驟(I)的原料為碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鋰、五氧化二鈮、五氧化二鉭、三氧化二銻。所述步驟(4)的升溫速度為10°C /min。所述步驟(5)的降溫速度為10°C /min。本發(fā)明的有益效果，是采用兩步燒結(jié)固相合成的制備方法，添加鈮酸鉀，制備鋰鉭銻改性的鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷材料，既有效縮短了高溫?zé)Y(jié)的時(shí)間，又在一定程度上彌補(bǔ)了鉀的丟失，制備的鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷為單一鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。其壓電系數(shù)d33為259 328pC/N，剩余極化強(qiáng)度Pr和矯頑場(chǎng)E。分別為17 23 μ C/cm2和O. 5 O. 7kV/mm。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例1-8不同條件下制品的壓電常數(shù)d33 ； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1-8不同條件下制品的X射線圖譜；圖3是本發(fā)明實(shí)施例1-8不同條件下制品的P-E磁滯回線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例作進(jìn)一步描述，但并不以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例I(I)配料合成按(Na0.52K0.44Li0.04) (Nb0.88Sb0.08Ta0.04) O3的化學(xué)計(jì)量比稱取原料碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鋰、五氧化二鈮、五氧化二鉭和三氧化二銻，進(jìn)行混合，裝入球磨罐中，球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇和氧化鋯球，球磨6h，球磨轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分；將料漿放入烘箱內(nèi)80°C烘干，得A原配料；同樣條件按KNbO3的化學(xué)計(jì)量比稱取原料、混合、球磨和烘干，得B原配料；(2)預(yù)燒將步驟(I)得到的A、B原配料分別放入坩堝內(nèi)，加蓋，密封，在馬弗爐中800°C保溫3h，自然冷卻到室溫，出爐，得A、B粉料；(3) 二次球磨將步驟(2)得到的粉料在研缽中研磨，按O. 95A-0. 05B的配比稱取A、B粉料，進(jìn)行混合，裝入球磨罐，球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇和氧化鋯球，球磨6h，球磨轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分，將料漿放入烘箱80°C烘干，得混合粉料；(4)造粒將步驟(3)得到的混合粉料在研缽中研細(xì)，加入重量濃度為5%的聚乙烯醇縮丁醛(PVB)，充分?jǐn)嚢柚练哿铣柿?，得粒料?5)成型將步驟(4)得到的粒料放入直徑為13mm的不銹鋼模具內(nèi)，在IOOMPa壓力下壓成圓片狀坯件；(6)排膠將步驟(5)得到的坯件放入馬弗爐中，600°C保溫O. 5h進(jìn)行有機(jī)物排除，得排膠坯件；(7)兩步燒結(jié)
將步驟(6)得到的排膠坯件放置氧化鋁片上，坩鍋倒扣密封，按升溫速度為10°C /min，于1130°C進(jìn)行第一次燒結(jié)，保溫Imin ;再以10°C/min速度快速降溫至950°C，于950°C保溫7h進(jìn)行第二次燒結(jié)，然后隨爐自然冷卻至室溫，得鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷。實(shí)施例2采用實(shí)施例I相同的方法，第一步燒結(jié)溫度為1130°C，第二步燒結(jié)溫度為1020°C，制得鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷。實(shí)施例3采用實(shí)施例I相同的方法，第一步燒結(jié)溫度為1130°C，第二步燒結(jié)溫度為1000°C，制得鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷。實(shí)施例4·
采用實(shí)施例I相同的方法，第一步燒結(jié)溫度為1130°C，第二步燒結(jié)溫度為900°C，制得鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷。實(shí)施例5采用實(shí)施例I相同的方法，第一步燒結(jié)溫度為1150°C，第二步燒結(jié)溫度為1040°C，制得鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷。實(shí)施例6采用實(shí)施例I相同的方法，第一步燒結(jié)溫度為1150°C，第二步燒結(jié)溫度為1020°C，制得鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷。實(shí)施例7采用實(shí)施例I相同的方法，第一步燒結(jié)溫度為1150°C，第二步燒結(jié)溫度為1000°C，制得鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷。實(shí)施例8采用實(shí)施例I相同的方法，第一步燒結(jié)溫度為1150°C，第二步燒結(jié)溫度為950°C，制得鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷。對(duì)本發(fā)明所得鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷制品，在不同條件下測(cè)試其壓電常數(shù)d33，并繪制圖表，圖I是本發(fā)明實(shí)施例1-8不同條件下制品的壓電常數(shù)d33，第二步燒結(jié)溫度有一個(gè)最佳值。經(jīng)過(guò)檢測(cè)分析，實(shí)施例1-8所得無(wú)鉛壓電陶瓷制品為單一鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，如圖2a、b所示。圖3a、b是實(shí)施例1-8在不同工藝條件下制備的無(wú)鉛壓電陶瓷的P_E磁滯回線，表明了所得無(wú)鉛壓電陶瓷制品具有較好的鐵電性能。
權(quán)利要求
1.一種鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷，其原料組成及其摩爾比aKNb03-(l-a)(Na0.52K0.44[ ο. 04) (Nb0.88Sb0.08Ta0.04) 03，其中 a-0. 04 O. 06。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的一種鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷，其特征在于，所述外加的KNbO3S5%摩爾。其原料組成及其摩爾比為 aKNb03-(l-a) (Naa52Ka44Liatl4) (Nba88Sbatl8Taatl4)03，其中a=0. 05。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的一種鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷，其特征在于，其壓電系數(shù)d33為259 328pC/N，剩余極化強(qiáng)度Pr和矯頑場(chǎng)E。分別為17 23 μ C/cm2和O. 5 O. 7kV/mm。
4.權(quán)利要求I的一種鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷的兩步燒結(jié)制備方法，具有如下步驟(1)分別按(Naa52Ka44Liatl4)(Nb。. S8Sbatl8Taatl4) O3 和 KNbO3 的化學(xué)計(jì)量比稱取原料、混合、球磨和烘干，配制A、B基本原料； (2)將步驟(I)的A、B基本原料分別于800°C預(yù)燒，保溫時(shí)間為3h，得到A、B粉料；(3)將步驟(2)的A、B 粉料按 BKNbO3-(1-a) (Naa52Ka44Liatl4) (Nb0.88Sb0.08Ta0.04) 03，其中a=0. 04 O. 06化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料,再混料、二次球磨、造粒、成型、排膠； (4)將步驟(3)排膠后的坯體于1130 1150°C下進(jìn)行第一步燒結(jié)，保溫Imin； (5)由步驟(4)第一步燒結(jié)1130 1150°C的燒結(jié)溫度降溫至900 1040°C，保溫7h，進(jìn)行第二步燒結(jié)，自然冷卻至室溫，制得鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的一種鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷的兩步燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述步驟(I)的原料為碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鋰、五氧化二鈮、五氧化二鉭、三氧化二銻。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的一種鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷的兩步燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述步驟(4)的升溫速度為10°C /min。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的一種鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷的兩步燒結(jié)制備方法，其特征在于，所述步驟(5)的降溫速度為10°C /min。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種鈮酸鉀鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷及其兩步燒結(jié)制備方法，其原料組成及其摩爾比為aKNbO3-(1-a)(Na0.52K0.44Li0.04)(Nb0.88Sb0.08Ta0.04)O3，其中a=0.04～0.06。本發(fā)明采用兩步燒結(jié)固相合成的制備方法，控制第一步燒結(jié)溫度為1130～1150℃，保溫時(shí)間為1min，第二步燒結(jié)溫度為900～1040℃，保溫時(shí)間為7h，得到新型壓電陶瓷材料，其壓電系數(shù)d33最高為328pC/N，且具有良好的鐵電性能，剩余極化強(qiáng)度Pr和矯頑場(chǎng)Ec分別為17～23μC/cm2和0.5～0.7kV/mm。該無(wú)鉛壓電陶瓷材料可用于聲音轉(zhuǎn)換器、壓電打火機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、諧振器等多種領(lǐng)域。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102910907SQ201210406289
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者戴葉婧, 李洋 申請(qǐng)人:天津大學(xué)