专利名称：一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其两步烧结制备方法
技术领域：
本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其两步烧结制备方法。
背景技术：
压电陶瓷材料应用遍及社会的各个领域及人们生活的各个方面。目前，应用最广泛的铅基压电陶瓷(PZT)，在制备、使用、废弃过程中由于铅的存在对人类及生态环境造成严重的危害，因此研究和开发性能优异的无铅压电陶瓷，意义深远且十分迫切。目前人们已开发出多种无铅压电陶瓷，BaTiO3是最早发现的典型的无铅压电材料，但由于其居里点低及烧结温度高限制了其应用。铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，因其具有高的居里温度和优异的压电性能，被认为是最有前途取代铅基压电陶瓷的材料之一。现有技术中在KNN陶瓷的基础上对其同时进行A位Li掺杂和B位Ta、Sb掺杂，利用传统固相烧结 工艺得到了 d33>300pC/N的压电陶瓷，能与商用PZT系陶瓷性能匹敌。但是KNN基压电陶瓷在制备过程中碱金属丢失是一个大问题。目前，人们大多通过掺杂改性和改进工艺来降低烧结温度以减少碱的挥发，而通过两步烧结和碱的弥补以减少碱的挥发则不曾报导。
发明内容
本发明的目的，是为解决铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料制备过程中碱金属丢失的问题，提供一种添加铌酸钾，两步烧结制备锂钽锑改性的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料及其制备方法。本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其原料组成及其摩尔比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为5%摩尔。其原料组成及其摩尔比为aKNb03- (1-a)(Na0.52K0.44[ ο. 04) (Nb。. S8Sbatl8Taatl4) 03，其中 a-O. 05。其压电系数d33为259 328pC/N，剩余极化强度Pr和矫顽场E。分别为17 23 μ C/cm2 和 O. 5 O. 7kV/mnin一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的两步烧结制备方法，具有如下步骤(I)分别按(Naa52K0.44Li0.04) (Nba88Sbatl8Taatl4)O3 和 KNbO3 的化学计量比称取原料、混合、球磨和烘干，配制A、B基本原料；(2)将步骤(I)的A、B基本原料分别于800°C预烧，保温时间为3h，得到A、B粉料；(3)将步骤(2)的 A、B 粉料按 BKNbO3-(1-a) (Naa52Ka44Liatl4) (Nba88Sbatl8Taatl4)O3,其中a=0. 04 O. 06化学计量比进行配料，再混料、二次球磨、造粒、成型、排胶；(4)将步骤(3)排胶后的坯体于1130 1150°C下进行第一步烧结，保温Imin ；(5)由步骤(4)第一步烧结1130 1150°C的烧结温度降温至900 1040°C，保温7h，进行第二步烧结，自然冷却至室温，制得铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。
所述步骤(I)的原料为碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂、五氧化二铌、五氧化二钽、三氧化二锑。所述步骤(4)的升温速度为10°C /min。所述步骤(5)的降温速度为10°C /min。本发明的有益效果，是采用两步烧结固相合成的制备方法，添加铌酸钾，制备锂钽锑改性的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料，既有效缩短了高温烧结的时间，又在一定程度上弥补了钾的丢失，制备的铌酸钾钠基无铅压电陶瓷为单一钙钛矿结构。其压电系数d33为259 328pC/N，剩余极化强度Pr和矫顽场E。分别为17 23 μ C/cm2和O. 5 O. 7kV/mm。
图I是本发明实施例1-8不同条件下制品的压电常数d33 ； 图2是本发明实施例1-8不同条件下制品的X射线图谱；图3是本发明实施例1-8不同条件下制品的P-E磁滞回线。
具体实施例方式下面结合实施例作进一步描述，但并不以此限制本发明的保护范围。实施例I(I)配料合成按(Na0.52K0.44Li0.04) (Nb0.88Sb0.08Ta0.04) O3的化学计量比称取原料碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂、五氧化二铌、五氧化二钽和三氧化二锑，进行混合，装入球磨罐中，球磨介质为无水乙醇和氧化锆球，球磨6h，球磨转速为800转/分；将料浆放入烘箱内80°C烘干，得A原配料；同样条件按KNbO3的化学计量比称取原料、混合、球磨和烘干，得B原配料；(2)预烧将步骤(I)得到的A、B原配料分别放入坩埚内，加盖，密封，在马弗炉中800°C保温3h，自然冷却到室温，出炉，得A、B粉料；(3) 二次球磨将步骤(2)得到的粉料在研钵中研磨，按O. 95A-0. 05B的配比称取A、B粉料，进行混合，装入球磨罐，球磨介质为无水乙醇和氧化锆球，球磨6h，球磨转速为800转/分，将料浆放入烘箱80°C烘干，得混合粉料；(4)造粒将步骤(3)得到的混合粉料在研钵中研细，加入重量浓度为5%的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，充分搅拌至粉料呈粒状，得粒料；(5)成型将步骤(4)得到的粒料放入直径为13mm的不锈钢模具内，在IOOMPa压力下压成圆片状坯件；(6)排胶将步骤(5)得到的坯件放入马弗炉中，600°C保温O. 5h进行有机物排除，得排胶坯件；(7)两步烧结
将步骤(6)得到的排胶坯件放置氧化铝片上，坩锅倒扣密封，按升温速度为10°C /min，于1130°C进行第一次烧结，保温Imin ;再以10°C/min速度快速降温至950°C，于950°C保温7h进行第二次烧结，然后随炉自然冷却至室温，得铌酸钾钠基压电陶瓷。实施例2采用实施例I相同的方法，第一步烧结温度为1130°C，第二步烧结温度为1020°C，制得铌酸钾钠基压电陶瓷。实施例3采用实施例I相同的方法，第一步烧结温度为1130°C，第二步烧结温度为1000°C，制得铌酸钾钠基压电陶瓷。实施例4·
采用实施例I相同的方法，第一步烧结温度为1130°C，第二步烧结温度为900°C，制得铌酸钾钠基压电陶瓷。实施例5采用实施例I相同的方法，第一步烧结温度为1150°C，第二步烧结温度为1040°C，制得铌酸钾钠基压电陶瓷。实施例6采用实施例I相同的方法，第一步烧结温度为1150°C，第二步烧结温度为1020°C，制得铌酸钾钠基压电陶瓷。实施例7采用实施例I相同的方法，第一步烧结温度为1150°C，第二步烧结温度为1000°C，制得铌酸钾钠基压电陶瓷。实施例8采用实施例I相同的方法，第一步烧结温度为1150°C，第二步烧结温度为950°C，制得铌酸钾钠基压电陶瓷。对本发明所得铌酸钾钠基无铅压电陶瓷制品，在不同条件下测试其压电常数d33，并绘制图表，图I是本发明实施例1-8不同条件下制品的压电常数d33，第二步烧结温度有一个最佳值。经过检测分析，实施例1-8所得无铅压电陶瓷制品为单一钙钛矿结构，如图2a、b所示。图3a、b是实施例1-8在不同工艺条件下制备的无铅压电陶瓷的P_E磁滞回线，表明了所得无铅压电陶瓷制品具有较好的铁电性能。
权利要求
1.一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其原料组成及其摩尔比aKNb03-(l-a)(Na0.52K0.44[ ο. 04) (Nb0.88Sb0.08Ta0.04) 03，其中 a-0. 04 O. 06。
2.根据权利要求I的一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其特征在于，所述外加的KNbO3S5%摩尔。其原料组成及其摩尔比为 aKNb03-(l-a) (Naa52Ka44Liatl4) (Nba88Sbatl8Taatl4)03，其中a=0. 05。
3.根据权利要求I的一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷，其特征在于，其压电系数d33为259 328pC/N，剩余极化强度Pr和矫顽场E。分别为17 23 μ C/cm2和O. 5 O. 7kV/mm。
4.权利要求I的一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的两步烧结制备方法，具有如下步骤(1)分别按(Naa52Ka44Liatl4)(Nb。. S8Sbatl8Taatl4) O3 和 KNbO3 的化学计量比称取原料、混合、球磨和烘干，配制A、B基本原料； (2)将步骤(I)的A、B基本原料分别于800°C预烧，保温时间为3h，得到A、B粉料；(3)将步骤(2)的A、B 粉料按 BKNbO3-(1-a) (Naa52Ka44Liatl4) (Nb0.88Sb0.08Ta0.04) 03，其中a=0. 04 O. 06化学计量比进行配料,再混料、二次球磨、造粒、成型、排胶； (4)将步骤(3)排胶后的坯体于1130 1150°C下进行第一步烧结，保温Imin； (5)由步骤(4)第一步烧结1130 1150°C的烧结温度降温至900 1040°C，保温7h，进行第二步烧结，自然冷却至室温，制得铌酸钾钠基无铅压电陶瓷。
5.根据权利要求4的一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的两步烧结制备方法，其特征在于，所述步骤(I)的原料为碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂、五氧化二铌、五氧化二钽、三氧化二锑。
6.根据权利要求4的一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的两步烧结制备方法，其特征在于，所述步骤(4)的升温速度为10°C /min。
7.根据权利要求4的一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的两步烧结制备方法，其特征在于，所述步骤(5)的降温速度为10°C /min。
全文摘要
本发明公开了一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其两步烧结制备方法，其原料组成及其摩尔比为aKNbO3-(1-a)(Na0.52K0.44Li0.04)(Nb0.88Sb0.08Ta0.04)O3，其中a=0.04～0.06。本发明采用两步烧结固相合成的制备方法，控制第一步烧结温度为1130～1150℃，保温时间为1min，第二步烧结温度为900～1040℃，保温时间为7h，得到新型压电陶瓷材料，其压电系数d33最高为328pC/N，且具有良好的铁电性能，剩余极化强度Pr和矫顽场Ec分别为17～23μC/cm2和0.5～0.7kV/mm。该无铅压电陶瓷材料可用于声音转换器、压电打火机、驱动器、谐振器等多种领域。
文档编号C04B35/622GK102910907SQ201210406289
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者戴叶婧, 李洋 申请人:天津大学