專利名稱：一種鈮酸鹽無鉛壓電材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈮酸鹽無鉛壓電陶瓷材料及其制備方法，具體涉及一種以SrTiO3粉料進行摻雜改性的(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.84Ta0.10Sb0.06)O3(KNNT)鈮酸鹽無鉛壓電陶瓷材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
壓電在各類信息的檢測、轉(zhuǎn)儲、存儲處理中具有廣泛的應(yīng)用，在信息、航天、激光和生物等諸多高新科技領(lǐng)域里應(yīng)用甚廣；然而，迄今為止，絕大多的壓電材料仍是含鉛的。其中氧化鉛或四氧化三鉛約占原材料總重量70％，在這些材料的生產(chǎn)、使用和廢棄后處理的過程中均會給人類健康及生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重危害，這與人類社會可持續(xù)發(fā)展的理念相悖，再加上由于全球資源存量有限，據(jù)國際權(quán)威部門估算，預(yù)計在二十年內(nèi)全球的鉛將消耗殆盡。因此，開發(fā)非鉛基環(huán)境協(xié)調(diào)性壓電陶瓷材料是一項緊迫且具有重大實用意義的課題。
ANbO3(其A為Li、Na或K)型鈮酸鹽是一類重要的無鉛壓電材料體系，它是一類具有類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料。與其它無鉛陶瓷體系相比，該類化合物具有壓電性能較好，介電常數(shù)低，頻率常數(shù)大，密度小等特點，是取代鉛基壓電陶瓷材料重點考慮的材料體系之一。但是，由于Li、Na、K易于揮發(fā)，用常規(guī)方法難以實現(xiàn)致密化燒結(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鈮酸鹽無鉛壓電陶瓷材料，同時提供一種該壓電陶瓷材料的制備方法。
本發(fā)明采用在鈮酸鹽材料中引入SrTiO3的方法，用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法可制備出致密度高的(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.84Ta0.10Sb0.06)O3(KNNT)型鈮酸鹽無鉛壓電陶瓷；其制備方法制備的KNNT型鈮酸鹽無鉛壓電陶瓷的壓電性能也得到較大幅度提高，適合于工業(yè)生產(chǎn)。
本發(fā)明采用市購純度99.5％的KHCO3，純度99.5％的NaHCO3，純度99.5％的Li2CO3，純度99.5％的Nb2O5，純度99.0％的Ta2O5以及純度99.0％的Sb2O5為起始原料，以市購的SrTiO3為摻雜改性材料，制備符合性能要求的無鉛壓電陶瓷材料。
其技術(shù)方案是一種鈮酸鹽無鉛壓電材料，其主要化學(xué)組成是(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.84Ta0.10Sb0.06)O3(KNNT)，其中摻入1～30vol％的SrTiO3粉料。
該鈮酸鹽無鉛壓電材料的制備步驟為第一、先將純度99.5％的KHCO3，純度99.5％的NaHCO3，純度99.5％的Li2CO3，純度99.5％的Nb2O5，純度99.0％的Ta2O5以及純度99.0％的Sb2O5粉料按化學(xué)計量比配料，加入無水乙醇作為分散介質(zhì)，無水乙醇與粉料的體積比為5～1∶1，混合球磨12～24h，然后在70～150℃溫度下烘干，烘干后的物料加入濃度為2wt％聚乙烯醇水溶液作黏結(jié)劑，進行造粒，其黏結(jié)劑與粉料的體積比為0.1～0.15∶1，然后壓制成塊狀坯體，置于高鋁瓷坩堝中預(yù)燒3～5h，預(yù)燒溫度為700～790℃；第二、將步驟1預(yù)燒后所得的坯料進行粉碎球磨，球磨之后的物料摻入1～30vol％的SrTiO3粉料，然后置入燒杯中，加無水乙醇分散介質(zhì)，乙醇與粉料的體積比為5～1∶1，攪拌12～24h，再在70～150℃溫度下烘干，烘干后的物料以濃度為2wt％聚乙烯醇水溶液作為黏結(jié)劑，在4～6MPa的壓力下成型為直徑12mm厚2mm圓形坯片，其黏結(jié)劑與粉料的體積比為0.1～0.15∶1，坯體在空氣氣氛中于1100～1250℃溫度下進行埋燒熱處理，熱處理保溫1～5h，即制得鈮酸鹽無鉛壓電材料。
其熱處理之后的成瓷坯體燒滲銀電極，然后在120℃的硅油中進行極化，用d33壓電常數(shù)測量儀測量d33。
本發(fā)明通過控制KNNT與SrTiO3體積比＝1∶0.01～0.30中SrTiO3的摻入量，通過控制成型工藝和燒結(jié)制度獲得了一種致密度高、壓電性能好的新型鈮酸鹽無鉛壓電材料。


圖1是不同SrTiO3摻入量的KNNT陶瓷的壓電常數(shù)d33對比圖；圖2是不同SrTiO3摻入量的KNNT陶瓷樣品的相對密度分布圖；圖3中a，b，c，d是KNNT∶SrTiO3的體積比分別為1∶0，1∶0.07，1∶0.2以及1∶0.3的KNNT陶瓷的SEM圖；從圖1中可以看出，KNNT∶SrTiO3的體積比為1∶0.05時，制品的d33值最佳；從圖2中可以看出，隨著SrTiO3的摻入量的增加，制品的致密度增加，當(dāng)KNNT∶SrTiO3的體積比大約為1∶0.2時，制品致密度達到最佳；從圖3中可以看出，在KNNT∶SrTiO3的體積比分別為1∶0，1∶0.07，1∶0.2以及1∶0.3四個試樣中，當(dāng)KNNT∶SrTiO3的體積比大約為1∶0.2時，制品的氣孔率最小，致密度達到最佳，與圖2反映的規(guī)律基本一致。
具體實施例方式
本發(fā)明實施例以KNNT與SrTiO3體積比為1∶0.01～0.30的比例制備無鉛壓電陶瓷，采用的方法為傳統(tǒng)固相燒結(jié)法。
具體實施如下先將純度99.5％的KHCO3，純度99.5％的NaHCO3，純度99.5％的Li2CO3，純度99.5％的Nb2O5，純度99.0％的Ta2O5以及純度99.0％的Sb2O5粉料按化學(xué)計量比配料，加入無水乙醇作為分散介質(zhì)，無水乙醇與粉料的體積比為5～1∶1，混合球磨12h，然后在70～150℃溫度下烘干；烘干后的物料加入濃度為2wt％聚乙烯醇水溶液作黏結(jié)劑，進行造粒，其黏結(jié)劑與粉料的體積比為0.1～0.15∶1，然后壓制成大片，置于高鋁瓷坩堝中預(yù)燒3～5h，預(yù)燒溫度為700～790℃；預(yù)燒完成后進行粉碎球磨，球磨之后的物料摻入1～30vol％SrTiO3粉料，置入廣口燒杯中，磁力攪拌12～24h，分散劑為無水乙醇，無水乙醇與粉料的體積比為5～1∶1，然后在70～150℃溫度下烘干，烘干后的物料以濃度為2wt％聚乙烯醇水溶液作為黏結(jié)劑，在4～6MPa的壓力下成型為直徑φ12mm厚2mm圓形坯片，其黏結(jié)劑與粉料的體積比為0.1～0.15∶1，坯體在空氣氣氛中于1100～1250℃溫度下進行埋燒熱處理，熱處理保溫時間為1～5h。熱處理之后的成瓷坯體燒滲銀電極，然后在120℃的硅油中進行極化。用d33壓電常數(shù)測量儀測量d33。
制備KNNT基無鉛壓電陶瓷的配方和條件如下實施例。
實施例1按KNNT與SrTiO3體積比為1∶0.01的比例制備無鉛壓電陶瓷，采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法。將純度99.5％的KHCO3，純度99.5％的NaHCO3，純度99.5％的Li2CO3，純度99.5％的Nb2O5，純度99.0％的Ta2O5以及純度99.0％的Sb2O5粉體按化學(xué)計量比配料后，混合球磨，在700℃預(yù)燒3h，預(yù)燒后的物料，粉碎球磨，在4MPa的壓力下成型為直徑φ12mm厚2mm圓形坯片，于空氣氣氛1130℃溫度下燒結(jié)，燒結(jié)時間為3h。
實施例2按KNNT與SrTiO3體積比為1∶0.03的比例制備無鉛壓電陶瓷，采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法。純度99.5％的KHCO3，純度99.5％的NaHCO3，純度99.5％的Li2CO3，純度99.5％的Nb2O5，純度99.0％的Ta2O5以及純度99.0％的Sb2O5粉體按化學(xué)計量比配料后，混合球磨，在700℃預(yù)燒5h，預(yù)燒后的物料，粉碎球磨，在5MPa的壓力下成型為直徑φ12mm厚2mm圓形坯片，于空氣氣氛1170℃溫度下燒結(jié)，燒結(jié)時間為3h。
實施例3按KNNT與SrTiO3體積比為1∶0.05的比例制備無鉛壓電陶瓷，采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法。純度99.5％的KHCO3，純度99.5％的NaHCO3，純度99.5％的Li2CO3，純度99.5％的Nb2O5，純度99.0％的Ta2O5以及純度99.0％的Sb2O5粉體按化學(xué)計量比配料后，混合球磨，在750℃預(yù)燒3h，預(yù)燒后的物料，粉碎球磨，在4MPa的壓力下成型為直徑φ12mm厚2mm圓形坯片，于空氣氣氛1185℃溫度下燒結(jié)，燒結(jié)時間為2h。
實施例4按KNNT與SrTiO3體積比為1∶0.07的比例制備無鉛壓電陶瓷，采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法。純度99.5％的KHCO3，純度99.5％的NaHCO3，純度99.5％的Li2CO3，純度99.5％的Nb2O5，純度99.0％的Ta2O5以及純度99.0％的Sb2O5粉體按化學(xué)計量比配料后，混合球磨，在780℃預(yù)燒5h，預(yù)燒后的物料，粉碎球磨，在4MPa的壓力下成型為直徑φ12mm厚2mm圓形坯片，于空氣氣氛1170℃溫度下燒結(jié)，燒結(jié)時間為5h。產(chǎn)物樣品的SEM如圖3中b。
實施例5按KNNT與SrTiO3體積比為1∶0.10的比例制備無鉛壓電陶瓷，采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法。純度99.5％的KHCO3，純度99.5％的NaHCO3，純度99.5％的Li2CO3，純度99.5％的Nb2O5，純度99.0％的Ta2O5以及純度99.0％的Sb2O5粉體按化學(xué)計量比配料后，混合球磨，在770℃預(yù)燒4h，預(yù)燒后的物料，粉碎球磨，在4MPa的壓力下成型為直徑φ12mm厚2mm圓形坯片，于空氣氣氛1180℃溫度下燒結(jié)，燒結(jié)時間為1h。
實施例6按KNNT與SrTiO3體積比為1∶0.15的比例制備無鉛壓電陶瓷，采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法。純度99.5％的KHCO3，純度99.5％的NaHCO3，純度99.5％的Li2CO3，純度99.5％的Nb2O5，純度99.0％的Ta2O5以及純度99.0％的Sb2O5粉體按化學(xué)計量比配料后，混合球磨，在790℃預(yù)燒4h，預(yù)燒后的物料，粉碎球磨，在4MPa的壓力下成型為直徑φ12mm厚2mm圓形坯片，于空氣氣氛1185℃溫度下燒結(jié)，燒結(jié)時間為3h。
實施例7按KNNT與SrTiO3體積比為1∶0.20的比例制備無鉛壓電陶瓷，采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法。純度99.5％的KHCO3，純度99.5％的NaHCO3，純度99.5％的Li2CO3，純度99.5％的Nb2O5，純度99.0％的Ta2O5以及純度99.0％的Sb2O5粉體按化學(xué)計量比配料后，混合球磨，在760℃預(yù)燒3.5h，預(yù)燒后的物料，粉碎球磨，在4MPa的壓力下成型為直徑φ12mm厚2mm圓形坯片，于空氣氣氛1175℃溫度下燒結(jié)，燒結(jié)時間為3h。產(chǎn)物樣品的SEM如3中c.
實施例8、按KNNT與SrTiO3體積比為1∶0.30的比例制備無鉛壓電陶瓷，采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法。純度99.5％的KHCO3，純度99.5％的NaHCO3，純度99.5％的Li2CO3，純度99.5％的Nb2O5，純度99.0％的Ta2O5以及純度99.0％的Sb2O5粉體按化學(xué)計量比配料后，混合球磨，在780℃預(yù)燒4.5h，預(yù)燒后的物料，粉碎球磨，在4MPa的壓力下成型為直徑φ12mm厚2mm圓形坯片，于空氣氣氛1200℃溫度下燒結(jié)，燒結(jié)時間為3.5h。產(chǎn)物樣品的SEM如3中d。
實施例9、按KNNT與SrTiO3體積比為1∶0.30的比例制備無鉛壓電陶瓷，采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法。純度99.5％的KHCO3，純度99.5％的NaHCO3，純度99.5％的Li2CO3，純度99.5％的Nb2O5，純度99.0％的Ta2O5以及純度99.0％的Sb2O5粉體按化學(xué)計量比配料后，混合球磨，在780℃預(yù)燒4h，預(yù)燒后的物料，粉碎球磨，在4MPa的壓力下成型為直徑φ12mm厚2mm圓形坯片，于空氣氣氛1200℃溫度下燒結(jié)，燒結(jié)時間為4h。
實施例10、按KNNT與SrTiO3體積比為1∶0.20的比例制備無鉛壓電陶瓷，采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法。純度99.5％的KHCO3，純度99.5％的NaHCO3，純度99.5％的Li2CO3，純度99.5％的Nb2O5，純度99.0％的Ta2O5以及純度99.0％的Sb2O5粉體按化學(xué)計量比配料后，混合球磨，在790℃預(yù)燒3h，預(yù)燒后的物料，粉碎球磨，在4MPa的壓力下成型為直徑φ12mm厚2mm圓形坯片，于空氣氣氛1185℃溫度下燒結(jié)，燒結(jié)時間為5h。
實施例11、按KNNT與SrTiO3體積比為1∶0.15的比例制備無鉛壓電陶瓷，采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法。純度99.5％的KHCO3，純度99.5％的NaHCO3，純度99.5％的Li2CO3，純度99.5％的Nb2O5，純度99.0％的Ta2O5以及純度99.0％的Sb2O5粉體按化學(xué)計量比配料后，混合球磨，在770℃預(yù)燒4h，預(yù)燒后的物料，粉碎球磨，在4MPa的壓力下成型為直徑φ12mm厚2mm圓形坯片，于空氣氣氛1185℃溫度下燒結(jié)，燒結(jié)時間為3.5h。
實施例12、按KNNT與SrTiO3體積比為1∶0.33的比例制備無鉛壓電陶瓷，采用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法。純度99.5％的KHCO3，純度99.5％的NaHCO3，純度99.5％的Li2CO3，純度99.5％的Nb2O5，純度99.0％的Ta2O5以及純度99.0％的Sb2O5粉體按化學(xué)計量比配料后，混合球磨，在700℃預(yù)燒4.5h，預(yù)燒后的物料，粉碎球磨，在4MPa的壓力下成型為直徑φ12mm厚2mm圓形坯片，于空氣氣氛1175℃溫度下燒結(jié)，燒結(jié)時間為4h。
權(quán)利要求
1.一種鈮酸鹽無鉛壓電陶瓷材料，其特征是該陶瓷材料主要化學(xué)組成是(K0.44Na0.52Li0.04)(Nb0.84Ta0.10Sb0.06)O3，其中摻入1～30vol％的SrTiO3粉料。
2.權(quán)利要求1所述的鈮酸鹽無鉛壓電陶瓷材料的制備方法，其特征是制備步驟為第一、先將純度99.5％的KHCO3，純度99.5％的NaHCO3，純度99.5％的Li2CO3，純度99.5％的Nb2O5，純度99.0％的Ta2O5以及純度99.0％的Sb2O5粉料按化學(xué)計量比配料，加入無水乙醇作為分散介質(zhì)，無水乙醇與粉料的體積比為5～1∶1，混合球磨12～24h，然后在70～150℃溫度下烘干，烘干后的物料加入濃度為2wt％聚乙烯醇水溶液作黏結(jié)劑，進行造粒，其黏結(jié)劑與粉料的體積比為0.1～0.15∶1，然后壓制成塊狀坯體，置于高鋁瓷坩堝中預(yù)燒3～5h，預(yù)燒溫度為700～790℃；第二、將步驟1預(yù)燒后所得的坯料進行粉碎球磨，球磨之后的物料摻入1～30vol％的SrTiO3粉料，然后置入燒杯中，加無水乙醇分散介質(zhì)，無水乙醇與粉料的體積比為5～1∶1，攪拌12～24h，，再在70～150℃溫度下烘干，烘干后的物料以濃度為2wt％聚乙烯醇水溶液為黏結(jié)劑，在4～6MPa的壓力下成型為直徑12mm厚2mm圓形坯片，其黏結(jié)劑與粉料的體積比為0.1～0.15∶1，坯體在空氣氣氛中于1100～1250℃溫度下進行埋燒熱處理，熱處理保溫1～5h，即制得鈮酸鹽無鉛壓電陶瓷材料。
全文摘要
一種鈮酸鹽無鉛壓電材料及其制備方法。該材料的主要化學(xué)組成是(K
文檔編號C04B35/495GK1699280SQ20051001883
公開日2005年11月23日 申請日期2005年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月2日
發(fā)明者曹明賀, 劉韓星, 王萬強, 羅大兵, 郝華 申請人:武漢理工大學(xué)