本發(fā)明屬于無鉛壓電陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種亞微米尺寸、壓電性能優(yōu)異的摻雜氧化鋁的鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的制備方法。

背景技術(shù)：

隨著納米技術(shù)和移動通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，對電子器件小型化、微型化的要求變得越來越迫切，亞微米/納米陶瓷以其致密的結(jié)構(gòu)和細化的晶粒尺寸備受關(guān)注。然而亞微米/納米陶瓷雖然具有諸多優(yōu)勢，但其制備過程卻較為困難。這主要是由于陶瓷在燒結(jié)的過程中往往涉及到上千攝氏度的溫度，在如此高溫下，隨著晶?？紫吨械臍怏w不斷被排出，在整體結(jié)構(gòu)趨于致密的同時伴隨著晶粒的不斷長大。此外，多數(shù)情況下，隨著晶粒尺寸減小，陶瓷的壓電和鐵電性能均會發(fā)生不同程度的降低。

近年來，具有亞微米/納米尺度晶粒的壓鐵電陶瓷的研究主要局限于鈦酸鋇陶瓷體系。然而，在無鉛壓電陶瓷的體系中，鈮酸鉀鈉((K_0.5Na_0.5)NbO₃，縮寫為KNN)基壓電陶瓷由于具有高的壓電常數(shù)、機電耦合系數(shù)和居里溫度，引起了人們的廣泛關(guān)注，并有可能成為鉛基壓電陶瓷的替代品。但是，KNN基陶瓷在制備過中存在一個難題：傳統(tǒng)工藝合成的陶瓷顆粒度大(通常在微米量級)，而且伴隨著高溫?zé)Y(jié)造成K和Na等元素的大量揮發(fā)，難以獲得致密的陶瓷燒結(jié)體，從而嚴重影響獲得既具有細化晶粒尺寸又具有良好電學(xué)性能的鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種通過摻雜氧化鋁制備具有較高介電鐵電性能和高d₃₃的亞微米級鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的方法。

解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案由下述步驟組成：

1、按照(Na_0.5K_0.5)NbO₃的化學(xué)計量比，將碳酸鈉、碳酸鉀、五氧化二鈮分別加入到尼龍罐中，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，在滾筒式球磨機上充分混合球磨24～48小時后，在80～120℃下烘干，得到原料混合物。

2、將步驟1的原料混合物在800～850℃預(yù)燒2～3小時，得到(Na_0.5K_0.5)NbO₃預(yù)燒粉。

3、向(Na_0.5K_0.5)NbO₃預(yù)燒粉中加入其摩爾量0.3％～0.8％的氧化鋁，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，再次混合球磨12～24小時后，在80～120℃下烘干，得到混合干粉。

4、將步驟3所得混合干粉裝入內(nèi)表面為氮化硼涂層的石墨磨具中，置入熱壓燒結(jié)爐中，在真空條件下升溫至1050℃，在15～20MPa外壓下保溫保壓1～3小時，得到陶瓷片。

5、將步驟4所得陶瓷片在850～950℃下退火1～2小時。

6、將步驟5退火后的陶瓷表面打磨，拋光，用酒精搽拭干凈，在其上下表面分別涂覆銀漿，置于電阻爐中650℃保溫30分鐘，自然冷卻至室溫。

7、將步驟6燒銀后的陶瓷置于常溫硅油中，在5～6kV/mm電場下極化15～20分鐘，得到高d₃₃亞微米級Al³⁺摻雜鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷。

上述步驟2中，優(yōu)選向(Na_0.5K_0.5)NbO₃預(yù)燒粉中加入其摩爾量0.5％的氧化鋁。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明通過在鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷中添加三氧化二鋁，顯著提高了其d₃₃，所制備的無鉛壓電陶瓷的晶粒尺寸均為亞微米尺寸，平均晶粒尺寸為230～650nm，并且組分較簡單，燒結(jié)溫度較低，具有較高介電鐵電性能，其壓電常數(shù)d₃₃達到130～142pC/N，居里溫度T_c高達398～417℃，且不含環(huán)境危害性元素鉛，環(huán)境友好，在高溫電子設(shè)備中具有實際的應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1是實施例1、3、5制備的壓電陶瓷瓷的XRD圖。

圖2是實施例1制備的壓電陶瓷的掃描電子顯微鏡照片。

圖3是實施例1制備的壓電陶瓷的電滯回線圖。

圖4是實施例3制備的壓電陶瓷的掃描電子顯微鏡照片。

圖5是實施例3制備的壓電陶瓷的電滯回線圖。

圖6是實施例5制備的壓電陶瓷的掃描電子顯微鏡照片。

圖7是實施例5制備的壓電陶瓷的電滯回線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍不僅限于這些實施例。

實施例1

1、按照(Na_0.5K_0.5)NbO₃的化學(xué)計量比，將5.4755g碳酸鈉、7.1982g碳酸鉀、27.547g五氧化二鈮加入到尼龍罐中，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，在滾筒式球磨機上充分混合球磨48小時后，在120℃下烘干，得到原料混合物。

2、將步驟1的原料混合物在850℃預(yù)燒2小時，得到(Na_0.5K_0.5)NbO₃預(yù)燒粉。

3、向(Na_0.5K_0.5)NbO₃預(yù)燒粉中加入其摩爾量0.5％的氧化鋁，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，再次混合球磨24小時后，在120℃下烘干，得到混合干粉。

4、將步驟3所得混合干粉裝入內(nèi)表面為氮化硼涂層的石墨磨具中，置入熱壓燒結(jié)爐，在真空條件下升溫至1050℃，在外壓為18MPa下保溫保壓2小時，得到陶瓷片。

5、將步驟4所得陶瓷片在900℃下退火2小時。

6、將步驟5退火后的陶瓷表面打磨，拋光，用酒精搽拭干凈，在其上下表面分別涂覆銀漿，置于電阻爐中650℃保溫30分鐘，自然冷卻至室溫。

7、將步驟6被銀后的陶瓷置于常溫硅油中，在6kV/mm電場下極化20分鐘，得到亞微米級Al³⁺摻雜鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷。

實施例2

本實施例中，在步驟3中，向(Na_0.5K_0.5)NbO₃預(yù)燒粉中加入其摩爾量0.3％的氧化鋁，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，再次混合球磨12～24小時后，在80～120℃下烘干，得到混合干粉。其他步驟與實施例1相同，得到亞微米級Al³⁺摻雜鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷。

實施例3

本實施例中，在步驟3中，向(Na_0.5K_0.5)NbO₃預(yù)燒粉中加入其摩爾量0.6％的氧化鋁，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，再次混合球磨12～24小時后，在80～120℃下烘干，得到混合干粉。其他步驟與實施例1相同，得到亞微米級Al³⁺摻雜鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷。

實施例4

本實施例中，在步驟3中，向(Na_0.5K_0.5)NbO₃預(yù)燒粉中加入其摩爾量0.7％的氧化鋁，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，再次混合球磨12～24小時后，在80～120℃下烘干，得到混合干粉。其他步驟與實施例1相同，得到亞微米級Al³⁺摻雜鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷。

實施例5

本實施例中，在步驟3中，向(Na_0.5K_0.5)NbO₃預(yù)燒粉中加入其摩爾量0.8％的氧化鋁，以無水乙醇為球磨介質(zhì)，再次混合球磨12～24小時后，在80～120℃下烘干，得到混合干粉。其他步驟與實施例1相同，得到亞微米級Al³⁺摻雜鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷。

將實施例1～5所得產(chǎn)品采用日本理學(xué)公司D/Max2550VB+PC型X射線衍射儀進行相結(jié)構(gòu)測試，采用美國FEI公司生產(chǎn)的SEM進行形貌表征，并采用美國生產(chǎn)的Precision型鐵電分析儀及中國科學(xué)院聲學(xué)研究所生產(chǎn)的ZJ-3A準靜態(tài)d₃₃測量儀進行鐵電和壓電性能測試，結(jié)果見圖1～7及表1。

表1實施例1～5制備的無鉛壓電陶瓷的各項參數(shù)

由圖1可見，所有陶瓷試樣的XRD衍射峰均與(Na_0.5K_0.5)NbO₃的標準PDF卡片(JCPDS No.71-0946)完全吻合，表明Al³⁺已完全進入晶格中。由圖2可見，實施例1所制備的陶瓷晶粒尺寸為亞微米級，經(jīng)過統(tǒng)計，其平均晶粒尺寸為280nm，由圖3可見，其電滯回線表現(xiàn)出典型的鐵電體電滯回線特征。由圖4可見，實施例3所制備陶瓷的平均晶粒尺寸為610nm，其電滯回線表現(xiàn)出典型的鐵電體電滯回線特征(見圖5)。由圖6可見，實施例3所制備陶瓷的平均晶粒尺寸為650nm，其電滯回線表現(xiàn)出典型的鐵電體電滯回線特征(見圖7)。