一种具有自发压电性能的高温无铅压电陶瓷及其制备方法.pdf

本发明公开了一种具有自发压电性能的高温无铅压电陶瓷及其制备方法，成分以化学式(1-x)K1/2Na1/2NbO3-xNd2Ti2O7或(1-x)K1/2Na1/2NbO3-xLa2Ti2O7或(1-x)K1/2Na1/2NbO3-xSm2Ti2O7或(1-x)K1/2Na1/2NbO3-xPr2Ti2O7来表示，其中x表示摩尔分数，0<x<0.8。本发明的无铅压电陶瓷采用常规陶瓷制备工艺制备而成，采用较厚承烧板，保温结束后快速取出，在表面罩上钢板快速冷却。通过调控陶瓷样品上下表面冷却温差，产生自发压电性能。本发明的陶瓷材料工艺简单、不需要高电场极化，压电性能不受铁电材料极化的温度限制，高温稳定性优良，退极化温度Td>700oC，绿色环保。

1.  一种具有自发压电性能高温无铅压电陶瓷，其特征是：组成通式为：
(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xNd₂Ti₂O₇或
(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xLa₂Ti₂O₇或
(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xSm₂Ti₂O₇或
(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xPr₂Ti₂O₇
其中x表示摩尔分数， 0<x<0.8。

2.  如权利要求1的具有自发压电性能高温无铅压电陶瓷的制备方法，其特征是：包括如下步骤：
（1）将原料按照化学组成通式配料：
(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xNd₂Ti₂O₇或
(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xLa₂Ti₂O₇或
(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xSm₂Ti₂O₇或
(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xPr₂Ti₂O₇
进行配料，其中x表示摩尔分数， 0<x<0.8；
（2）以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后在坩埚中以990°C焙烧6小时合成固溶体粉末；以无水乙醇为介质二次球磨24小时，干燥后加入6%(重量百分比)浓度的PVA溶液造粒，压制成型；成型后的素坯放在厚度为2.0cm的刚玉承烧板上，电炉烧结加热硅钼棒放在在刚玉承烧板下面，电炉其它方向无加热硅钼棒，在常压下底部单向加热烧结，烧结温度1160-1450°C，保温时间6小时；
（3）烧结好的样品在1160-1450°C保温刚结束时快速从炉中取出，然后在承烧板上面罩上一块钢板，快速冷却。

一种具有自发压电性能的高温无铅压电陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及压电陶瓷材料，具体是一种具有自发压电性能的高温无铅压电陶瓷及其制备方法。
背景技术
压电陶瓷是一种实现机械能与电能相互转换的功能材料，广泛地应用于滤波器、驱动器、谐振器、传感器、嚼鸣器和超声换能器等各种电子元器件之中。特别是高温压电材料被广泛应用于航空航天、机械、建筑、汽车等行业的振动与冲击测量。随着原子能、航空航天、汽车、冶金与石油化工等工业发展对可靠性和降低噪音的要求，要求压电材料不断挑战高温作业的极限。但是，高温高性能压电材料主要采用铁电材料，铁电性能随温度的增加明显降低，造成压电性能具有非常明显的温度依赖性。同时，压电材料在高温领域的应用强烈受到铁电性能的温度限制。另一方面，铁电材料需要高电场极化有序排列电畴来获得压电性能，高温下有序电畴转向无序化造成退极化，因而引起压电性能在远低于铁电材料居里温度下消失，使得铁电性压电材料的安全使用温度在居里温度的一半左右。目前还未见自发压电性能的高温无铅压电陶瓷K_1/2Na_1/2 NbO₃-Me₂Ti₂O₇(Me为三价稀土金属元素)的报道。
发明内容
本发明的目的是要提供一种无需高电场极化、具有自发压电性能的非铁电性高温无铅压电陶瓷及其制备方法，这种无铅压电陶瓷具有优异的高温度稳定性，退极化温度T_d>700^oC，远高于材料的居里温度，环境友好、稳定性好、压电性能好。
实现本发明目的的技术方案是：
一种具有自发压电性能的非铁电性高温无铅压电陶瓷，其配方化学式为：
(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xNd₂Ti₂O₇或
(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xLa₂Ti₂O₇或
(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xSm₂Ti₂O₇或
(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xPr₂Ti₂O₇其中x表示摩尔分数， 0<x<0.8。
本发明具有自发压电性能高温无铅压电陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
（1）将原料按照化学式(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xMe₂Ti₂O₇(Me为三价稀土金属元素La/Nd/Sm/Pr)进行配料，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后在坩埚中以990°C保温6小时合成固溶体粉末；
（2）以无水乙醇为介质二次球磨24小时，干燥后加入6%(重量百分比)浓度的PVA溶液造粒，压制成型；成型后的素坯放在厚度为2.0cm的刚玉承烧板上，电炉烧结加热硅钼棒放在刚玉承烧板下面，电炉其它方向无加热硅钼棒，在常压下底部单向加热烧结，烧结温度1160-1450°C，保温时间6小时；
（3）烧结好的样品在1160-1450°C保温刚结束时快速从炉中取出，然后在承烧板上面罩上一块钢板，快速冷却；
（4）样品加工成两面光滑、厚度约1mm的薄片，披银电极，然后测试压电性能。
本发明采用传统压电陶瓷制备技术，采用厚承烧板，表面罩上钢板冷却，控制陶瓷样品上下表面的冷却速度不同，形成自发压电性能，不需要高电场极化工艺。本发明制备工艺简单、稳定，适合工业推广应用。本发明的陶瓷组成是一种绿色环保型压电陶瓷，高温温度稳定性好，退极化温度T_d>700^oC，在高温压电传感器具有很好的应用前景。
具体实施方式
实施例1：
成分为：(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xNd₂Ti₂O₇，其中x=0.5。
制备方法包括如下步骤：
以分析纯K₂CO₃、Na₂CO₃、Nb₂O₅、Nd₂O₃和TiO₂为原料，按照以下化学式(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xNd₂Ti₂O₇（x=0.5）进行配料，以无水乙醇为介质球磨湿磨24小时，烘干后在990 ℃保温6小时预烧成粉体。
合成的粉体以无水乙醇为介质二次湿磨24小时，烘干后加入6%(重量百分比)浓度的PVA溶液造粒，压制成型；成型后的素坯放在厚度为2.0cm的刚玉承烧板上，电炉烧结加热硅钼棒放在刚玉承烧板下面，电炉其它方向无加热硅钼棒，在常压下底部单向加热烧结，烧结温度1360°C，保温时间6小时，保温结束后快速取出，在表面罩上钢板快速冷却。
样品加工成两面光滑、厚度约1mm的薄片，披银电极，然后进行压电性能测量。
性能如表1所示。
实施例2：
成分为：(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xLa₂Ti₂O₇，其中x=0.5。
制备方法同实施例1，不同的是，烧结温度1380°C。
性能如表1所示。
实施例3：
成分为：(1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xSm₂Ti₂O₇，其中x=0.5。
制备方法同实施例1，不同的是，烧结温度1330°C。
性能如表1所示。
实施例4：
成分为： (1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xPr₂Ti₂O₇，其中x=0.5。
制备方法同实施例1，不同的是，烧结温度1400°C。
性能如表1所示。
实施例5：
成分为： (1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xPr₂Ti₂O₇，其中x=0.2。
制备方法同实施例1，不同的是，烧结温度1220°C。
性能如表1所示。
实施例6：
成分为： (1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xNd₂Ti₂O₇，其中x=0.2。
制备方法同实施例1，不同的是，烧结温度1250°C。
性能如表1所示。
实施例7：
成分为： (1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xNd₂Ti₂O₇，其中x=0.7。
制备方法同实施例1，不同的是，烧结温度1420°C。
性能如表1所示。
实施例8：
成分为： (1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xLa₂Ti₂O₇，其中x=0.8。
制备方法同实施例1，不同的是，烧结温度1430°C。
性能如表1所示。
实施例9：
成分为： (1-x) K_1/2Na_1/2 NbO₃- xLa₂Ti₂O₇，其中x=0.1。
制备方法同实施例1，不同的是，烧结温度1210°C。
性能如表1所示。
表1 实施例样品的电性能