[发明专利]一种钛酸铋钠‑钛酸铋钾基无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种以组分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种高性能钛酸铋钠-钛酸铋钾(BNKT)基无铅压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷材料的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。BNKT基无铅压电陶瓷，因其具有大的应变和对生态环境及人类无害，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0.8BNT-0.2BKT陶瓷的基础上对其进行B位复合离子掺杂，利用传统固相烧结工艺得到了单极应变S～0.42％的压电陶瓷。但是BNKT基压电陶瓷在制备过程中碱金属元素丢失是一个大问题。目前人们大多通过掺杂改性和改进工艺来降低陶瓷材料的烧结温度以减少碱的挥发，本发明通过碱金属的弥补来减少碱的挥发。

发明内容

本发明的目的，是为解决BNKT基压电陶瓷在制备过程中碱金属元素丢失的问题以及提升BNKT基压电陶瓷的应变性能，通过掺杂(Fe_0.5Nb_0.5)⁴⁺复合离子对0.8BNT-0.2BKT基压电陶瓷的相结构、电致应变以及逆压电系数的影响，既弥补碱金属的丢失，又可提高基体陶瓷的应变性能，提供一种(Fe_0.5Nb_0.5)⁴⁺复合离子掺杂改性的BNKT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如下：

一种高性能钛酸铋钠-钛酸铋钾基无铅压电陶瓷，原料组分及其摩尔百分比含量为Bi_0.5(Na_0.8K_0.2)Ti_1-x(Fe_0.5Nb_0.5)_xO₃，其中x＝0.01～0.04；

上述高性能钛酸铋钠-钛酸铋钾基无铅压电陶瓷的制备方法，具有如下步骤：

(1)按Bi_0.5(Na_0.8K_0.2)Ti_1-x(Fe_0.5Nb_0.5)_xO₃，其中x＝0.01～0.04的化学式分别称取基本原料碳酸钠、碳酸钾、三氧化二铋、二氧化钛、五氧化二铌和三氧化二铁，装入球磨罐中，球磨5h，再将料浆放入烘箱内于70℃烘干；

(2)将步骤(1)烘干后的Bi_0.5(Na_0.8K_0.2)Ti_1-x(Fe_0.5Nb_0.5)_xO₃混合原料于700～900℃预合成，保温4～6h；

(3)将步骤(2)的预合成原料装入球磨罐中，加入球磨剂和球磨介质，进行二次球磨，并将料浆放入烘箱内于70℃下烘干。

(4)将步骤(3)烘干后的原料进行加胶造粒、成型为坯体，再进行排胶；

(5)将步骤(4)排胶后的坯体，于1100～1200℃烧结，保温2～4h，制得高性能钛酸铋钠-钛酸铋钾基无铅压电陶瓷。

该钛酸铋钠-钛酸铋钾基无铅压电陶瓷为单一钙钛矿结构。

所述钛酸铋钠-钛酸铋钾基无铅压电陶瓷的压电系数d₃₃为16～173pC/N,应变S为0.173％～0.395％，逆压电系数d₃₃^*为258～642pm/V。

所述步骤(1)与(3)的球磨介质为氧化锆球，球磨剂为无水乙醇；原料、无水乙醇和氧化锆球的质量比为1:2:2。

所述步骤(1)与(3)的球磨机转速为400转/分。

本发明的有益效果如下：