[发明专利]宽烧结温区及宽组分调节的无铅压电织构陶瓷及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无铅压电材料领域，尤其是涉及一种宽烧结温区及宽组分调节的无铅压电织构陶瓷及制备方法。

背景技术

压电材料是一种无机材料，是一种实现机械能和电能相互转换的电子信息材料，在电、磁、力、热等功能器件中有着举足轻重的作用。随着现代社会的快速发展，材料的制备技术、研究方法和测试手段得到了大幅度发展，使得压电材料的性能得到了极大的提高，进一步促进了以压电材料为基础的功能器件在高技术领域的发展和应用价值。目前铅基压电材料，例如锆钛酸铅(Pb(Ti,Zr)O₃,PZT)，具有优异的压电性能而成为应用最为广泛的材料，但是铅在高温环境下极容易挥发，会造成严重的环境污染，铅及其化合物进入机体后可对神经、造血、消化、肾脏、心血管和内分泌等多个系统造成危害。因此基于保护生态环境的需要和人类的健康迫切需求，研究开发环境友好型的无铅压电材料取代铅基压电材料已经是一项紧迫而具有重要现实意义的任务。

目前，研究者们在改善无铅压电材料的性能方面已经取得了一定的成果，但是总的来说，目前还不存在能完全取代铅基材料的无铅压电材料，因此还需要做深入的研究和探索，进一步促进无铅压电材料的实用化发展。2004年日本的Satio等人在Natue杂志上发表了利用织构方法制备的经掺杂改性的铌酸钾钠(KNN)基压电陶瓷，其压电系数d₃₃达到416pC/N，可以和铅基压电材料相媲美，此后，KNN基陶瓷因其居里温度高、压电性能好而研究成为新的热点。但是K、Na在高温下容易挥发，从而使KNN基陶瓷具有致密性不好、烧结温区窄的缺点，而且由于KNbO₃的熔点较低，超过1140℃烧结容易在陶瓷中形成液相，极大地限制了KNN基陶瓷的应用。众所周知，钙钛矿结构的单晶与同组分的多晶陶瓷相比具有优异的压电性能，因为单晶具有各向异性，其压电性能沿特定方向具有一个极值，而多晶陶瓷晶粒之间存在相互作用，使压电响应相互抵消，最终显示的是平均的压电响应。但是单晶具有组分控制难、生产成本昂贵以及周期长等显著的缺点，较多的应用在昂贵的医疗和声呐探测等方面，不利于大规模的工业化应用。因此，人们希望通过一定的技术手段使多晶陶瓷的晶粒像单晶一样能够沿一定方向生长，织构化陶瓷应运而生。织构化陶瓷的制备主要借助流延工艺，流延技术可以使非等轴的模板均匀的排列在基料当中，在进行热处理过程时，模板与基料相比具有更大的表面自由能，因此可以使晶粒沿模板表面生长，制成具有一定取向的织构陶瓷。织构陶瓷同时具有了单晶的优势和陶瓷材料成本低的特点，因而受到学者的广泛关注，但是自Satio在Nature杂志上发表高性能的KNN基织构陶瓷之后，KNN基织构陶瓷的研究再没能取得突破性进展，大部分的工作都围绕纯的KNN织构陶瓷和单一元素掺杂的KNN基织构陶瓷展开。例如，常云飞等人系统的研究了沿<001>方向织构的(K_0.5Na_0.5)_0.98Li_0.02NbO₃、(K_0.5Na_0.5)(Nb_0.85Ta_0.15)O₃、(K_0.5Na_0.5)Nb_0.97Sb_0.03O₃和CuO掺杂的(K_0.476Na_0.524)NbO₃压电陶瓷((1)Y.Chang,S.F.Poterala,Z.Yang,S.T.McKinstry,G.L.Messing,Appl.Phys.Lett.95(2009)232905.(2)Y.Chang,S.F.Poterala,Z.Yang,S.T.McKinstry,G.L.Messing,J.Mater.Res.25(2011)687-694.)，但是这些体系的d₃₃集中在150-250pC/N，远远无法和铅基陶瓷相比，更无法实现工业应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种宽烧结温区及宽组分调节的无铅压电织构陶瓷及制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：