[01235298]一种高品质因数的无铅压电陶瓷

随着环境保护力度的加大,铅基压电陶瓷有望被无铅压电陶瓷所取代。在无铅压电陶瓷体系中,铌酸钠钾基陶瓷由于具有较高的居里温度和压电性能而备受关注。近些年来,围绕铌酸钠钾基陶瓷的开发也取得了非常多的进展。但是在这个体系中,由于存在碱金属的挥发和各种元素扩散率的差异,导致陶瓷的致密度难以提高而且工业化生产的重复性不好。 另外,文献[X. Cheng, J. Wu, X. Lou, X. Wang, X. Wang, D. Xiao, and J. Zhu, Achieving Both Giant d33 and High TC in Patassium-Sodium Niobate Ternary System, ACS Appl. Mater. Interfaces, 6, 750 （2014）]报道了一类铌酸钠钾基陶瓷具有非常好的压电性能,但是这些陶瓷含有钽、锑、铋等元素,这些元素在工业化生产中存在一些问题,比如钽的价格比较高,锑是有毒性的,而铋在还原性气氛中是不稳定的。最近文献[T. Matsuoka1, H. Kozuka1, K. Kitamura1, H. Yamada1, T. Kurahashi1, M. Yamazaki1 and K. Ohbayashi, KNN-NTK composite lead-free piezoelectric ceramic, J. Appl. Phys. 116, 154104 （2014）]报道了一种复杂的铌酸钠钾基固溶体,主要含有K0.42Na0.44Ca0.04Li0.02Nb0.85O3、K0.85Ti0.85Nb1.15O5、BaZrO3、Co3O4、Fe2O3、ZnO等化合物,显示出较高的压电性能,压电常数为~252 pC/N,平面机电耦合系数为~0.52,机械品质因数为~50,居里温度为~300摄氏度。这类材料在陶瓷换能器和压电陶瓷变压器等领域可以得到很好的应用。但是在滤波器和扬声器领域,机械品质因数太低而无法使用。通常提高压电陶瓷机械品质因数的方法是进行受主掺杂,通过氧空位钉扎畴壁振动来提高其机械品质因数。但是单纯的受主掺杂会导致压电常数下降,高温电导升高,因此需要对组分配方和掺杂元素综合考虑来改进陶瓷的压电性能,使其能应用于滤波器和扬声器等领域。 铌酸钠钾基陶瓷的品质因数一直是制约其在弱电领域应用的主要因素,这些年来大量的研究始终没有解决压电常数和品质因数的共同提高。本发明提供组分和工艺有效提高了K0.42Na0.44Ca0.04Li0.02Nb0.85O3- K0.85Ti0.85Nb1.15O5复合物的品质因数,使其能应用于滤波器和扬声器等领域。其有益效果在于：（1）加入BaSnO3有效地提高了压电性能和温度稳定性,其效果与BaZrO3类似,但是压电性和温度稳定性比BaZrO3更加稳定,属于一种全新的体系设计;（2）加入氧化锰促进烧结并调控氧空位的含量,一方面提高了陶瓷的致密度,另一方面有效地抑制了铁电畴壁的振动,提高了陶瓷的机械品质因数;（3）加入氧化铈改变了陶瓷中氧空位的浓度和阳离子空位浓度,在不降低压电常数的情况下提高了材料的机械品质因数;（4）采用前驱体分别合成、煅烧再烧制成瓷的工艺,可以有效提高材料致密度和调控缺陷浓度。综上所述,本发明提供了一种低成本的、高品质因数的无铅压电陶瓷的组分和制备工艺,这种高品质因数的无铅压电陶瓷可以应用陶瓷滤波器、蜂鸣器、拾音器等领域。