[发明专利]一种钒掺杂铌酸钠压电陶瓷及其制备方法

说明书

本发明提供了一种钒掺杂铌酸钠压电陶瓷，属于介电陶瓷材料技术领域。本发明的钒掺杂铌酸钠压电陶瓷具有式1所示结构：NaNb_1‑xV_xO₃式1，其中，0x≤0.15；所述钒掺杂铌酸钠压电陶瓷为钙钛矿晶体结构。本发明通过在Nb格位引入V⁵⁺离子，实现了更强的NbO₆八面体非心对称畸变，进而有效地提升了材料的本征自发极化强度，提高了铌酸钠钙钛矿氧化物陶瓷材料的介电、铁电以及压电性能。

技术领域

本发明涉及介电陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种钒掺杂铌酸钠压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

钙钛矿氧化物电介质陶瓷是一种兼具良好的热稳定性和化学稳定性的功能材料，其晶体结构和电子结构可通过元素掺杂实现有效调控，因此吸引了许多研究人员的注意。其中，铅基钙钛矿固溶体Pb(Zr,Ti)O₃(PZT)铁电陶瓷是研究最为广泛的一类化合物体系，在此体系基础上，研究人员利用元素掺杂手段，发展出一系列掺杂改性的PZT陶瓷材料，其显示出优异的介电、铁电和压电性能并已在工业领域得到广泛应用。众所周知，PZT材料中的铅元素属于有毒重金属，其大量使用将会对人体健康及生态环境造成严重损害。自2001年以来世界各国相继制定了限制铅污染的相关法律。因此，可以有效替代PZT体系的无铅电介质功能陶瓷的研发具有重要意义。

NaNbO₃电介质陶瓷是一类经典的铌基无铅反铁电材料。目前关于NaNbO₃体系的离子掺杂改性研究主要集中在对A位的Na⁺离子进行Li、K等元素掺杂以及对B位的Nb⁵⁺离子进行Ta元素掺杂。如Chen等人通过固相反应法制备了Na(Ta_1-xNb_x)O₃陶瓷材料，发现该材料在Ta掺杂比例x＝0.4时表现出最优的介电性能，在100kHz及1MHz时其介电常数ε′分别为672.3与672.5。在铁电性能方面，当Ta掺杂比例x＝0.8时，该体系具有可达6μC/cm²的最大电极化强度(Chen X M,Lu Y T,Jin D Z,et al.Dielectric and ferroelectriccharacterization of Na(Ta,Nb)O₃ solid solution ceramics[J].J Electroceram,2005,15(1):21-26.)。此外，Gonzalez-Calbet等人对Na(Ta_1-xNb_x)O₃陶瓷的铁电相变行为进行了深入研究，发现其在0.4≤x≤0.6范围内，同时存在非中心对称铁电相(空间群P2₁ma)和中心对称顺电相(空间群Pcmn)。此时，材料表现出了增强的二级铁电相变行为并导致了介电性能的增强(介电常数ε′＝1300)。铁电性能表征发现，材料在最优掺杂比例(x＝0.55)下，其剩余极化强度P_r可达10.98μC/cm²(Torres-Pardo A,Jiménez R,García-González E,et al.Phase coexistence in NaNb_(1-x)Ta_xO₃ materials with enhanced dielectricproperties[J].J Mater Chem,2012,22(30):14938-14943)。匡小军等人研究发现，NaNbO₃化合物中的NbO₆八面体比NaTaO₃化合物中的TaO₆八面体具有更短的B-O键长和更大的非心结构畸变。因此，Ta⁵⁺离子的引入虽然可以改善NaNbO₃陶瓷中准同型相界附近的极化微畴取向，但是无法有效提升钙钛矿氧化物晶胞内固有偶极的极化强度，从而无法提升材料的本征自发极化强度(Xiaojun Kuang,Tao F,Wang X,Gong M,et al.New eight-layertwinnedhexagonal perovskite microwave dielectric ceramic Ba₈NiNb₆O₂₄[J].JAmCeram Soc,2017,100(3):1212-1220.)。