專利名稱：一種提高Ba<sub>0.5</sub>Sr<sub>1.5</sub>Na<sub>0.6</sub>0K<sub>0.4</sub>Nb<sub>5</sub>O<sub>15</sub>陶瓷壓電常數的方法
技術領域：
本發明屬于Ba。.5Sr^Na。.6K。.4NbA5無鉛壓電陶瓷的改性領域。具體涉及 一種提高BaQ.5Sri.5NaQ.6K。.4Nb5015陶瓷壓電常數的方法。
技術背景壓電鐵電材料作為功能材料的重要的 一部分，在國民經濟發展中具有重 要的作用。壓電材料的研究從十九世紀起步，經過一個世紀的發展，己形成 相當大的規模，其應用范圍涉及到超聲傳感器、執行器件、敏感器件、精密 位移控制器件，引燃器以及用于絕大多數電子器上的麥克風和揚聲器等。目 前，壓電材料的比重己經達到整個電子功能材料的40%左右，全球壓電材料銷 售額近110億美元。目前，正在被廣泛使用的壓電材料主要是以鋯鈦酸鉛 PbTi03-PbZr03 (PZT)為基的多元系含鉛材料，此類材料己具有較成熟的制造 工藝和優良的壓電性能，因而被大量采用。其中氧化鉛(Pb30J占總含量的近 70%左右。而其在500。C時會分解為PbO,而PbO的熔點只有890°C。 PZT的燒 結溫度要高于1200°C，甚至接近130(TC，這樣導致PZT在高溫燒結時不可避 免地會產生鉛揮發。鉛是一種有毒的元素，在壓電陶瓷工業中鉛的大量使用 勢必造成環境的污染，直接危害人類的健康。但對壓電陶瓷工業中存在的嚴 重的鉛污染問題卻始終找不到有效的解決方法。并且鉛揮發會卩1起材料及相 關器件性能的不穩定，容易產生老化，增加了材料及相關器件的損耗。因此，從根本上解決壓電陶瓷工業對環境污染對人體危害的方法，就是研制開發出 性能優良的、不含鉛組分的、能與環境協調的"綠色材料"。近十年來，無 鉛壓電材料的研究成為該領域的熱點課題，特別是日本、美國、歐盟等一些 發達國家對這一課題尤其重視。在日本、美國這些電子材料大國，政府在積 極鼓勵尋找含鉛壓電材料的替代者同時己制定政策限制鉛系壓電材料的發展。歐盟委員會明確規定在2008年以后禁止鉛基材料的使用。在我國，盡管 壓電材料無鉛化的研究開展的較晚，但政府現在也己經意識到保護環境的重 要性。目前，人們正在研究的無鉛壓電陶瓷體系有BaTi03基無鉛壓電陶瓷； Bi。.5Na。.5Ti03 (NBT)基無鉛壓電陶瓷；NaNb03等鈮酸鹽系無鉛壓電陶瓷；鉍 層狀結構無鉛壓電陶瓷和鎢青銅結構無鉛壓電陶瓷。氧八面體鐵電體中有一 部分是以鴒青銅結構存在的，由于此類晶體結構類似四角鎢青銅而得名。這 一結構的基本特征是存在著[B06]式氧八面體，其中B以Nb"、 Ta5+為主。其中 鍶鉀摻雜的鋇納鈮酸鹽Ba。.5Sr,.5Na。.6K。.4NbAs以其具有大的自發極化強度和橫 向壓電常數而受到人們的關注，但僅僅通過優化燒結工藝，材料物理性能的 提高是有限的。近年來利用激光對材料進行輻照而達到提高材料物理性能的方法得到了 廣泛應用，但還未見有激光輻照技術應用于無鉛壓電陶瓷的改性領域。發明內容本發明的目的在于提供一種在不改變現有Ba。.sSr,.5Na。.6K。.4NbA5陶瓷制備 工藝條件的前提下，通過激光輻照燒結陶瓷體，從而提高其壓電常數的方法。本發明所提供的一種提高Ba。.5SrL5Na。.6K。.4NbA5陶瓷壓電常數的方法，關 鍵在于1)選4奪合適的激光功率密度；2)選擇合適的輻照時間。具體步驟 如下1 )采用常規陶資制備工藝，對Ba。.5SrL5Na。,6K。.4NbA5材料進行配料、混合 和預反應；2) 將預反應后的粉料壓制成圓片狀坯體，再進行燒結，形成致密的圓 片狀陶瓷體；3) 用連續C02激光輻照步驟2)所得的圓片狀陶瓷體，C02激光功率密 度為764 W/cm2 ,輻照時間為90秒。如圖1所示。與未輻照樣品相比較，本發明具有以下有益效果1 )本發明在不改變現有制備藝條件下，僅用激光輻照燒結陶瓷體，從而 提高Ba。.5SrL5Na。.6K。.4Nbs(^陶f:壓電常數。所獲得的陶乾樣品的壓電常數比未 輻照陶資的壓電常數有顯著提高，最大提高的幅度(d15)是未輻照陶瓷近 兩倍，自發極化強度達到未輻照樣品的1.6倍。2 )采用本發明獲得的樣品的壓電常數不但比傳統工藝下制備的陶瓷 大而且對樣品的處理時間4艮短，整個輻照過程在200秒以內即可完成。3)本發明用激光輻照的方法大大提高了 Ba。.5SrL5Na。.6K。.4NbsOi5陶瓷的壓 電常數，改變了單純依賴改進預燒和燒結的溫度及時間的現狀，操作簡便， 效率高，可重復性強。
圖l、本發明激光輻照陶瓷體示意圖。以下結合附圖及具體實施方式
對本發明作進一步說明。
具體實施方式
實施例1)將歸5， K2C03， Na2C03， SrC03和BaC。3粉料按摩爾比25:2:3:15:5 配料，經8小時球磨混合后，在1000。C下預燒12小時，得到 Ba。.5S"sNa。.6K。.4NbA5分料；2 )將步驟1)中預燒的粉料球磨8小時，并烘干，將質量濃度為3%的 聚乙晞醇(PVA)膠摻入粉料后(摻入膠的重量為粉料總重量的6 % ),稱取約5 ~ 6克重量的粉料，在200兆帕壓力下，壓制成直徑為8mm、厚度為1 ~ 3mm的 圓片狀坯體，在1250 ~ 1350°C下燒結1 ~ 3小時，形成直徑為7. lmm,高為1 ~ 2mm的致密的圓片狀陶資體；3)使用Rofin slab激光器對步驟2)所得圓片狀陶資體在764 W/cm2的 激光功率密度下進行90秒的輻照。只十比例為比較輻照對樣品壓電性能的影響，采用實施例步驟2 )中未經輻照的圓 片狀陶資體作為對比例。將實施例和對比例中經輻照和未經輻照的圓片狀陶瓷體拋光鍍金電極 后，采用IEEE標準的動態諧振-反諧振方法對樣品的壓電性能進行測試，壓 電性能測定結果見表1。激光輻照后樣品的壓電常數比未經輻照樣品的壓電常 數有大幅度的提高。這就改善了目前僅僅依靠提升燒結溫度或延長預燒和燒 結時間以提高壓電常數的狀況。而研究表明，在適當的激光功率密度下輻照一段時間的陶乾其微觀結構將發生改變。這種改變有利于材料物理性能的提高。樣品& (pC/N)& (pC/N)"A (pC/N)未輻照樣品19. 6%61. 616. 1%43. 27. 3% -16. 0激光輻照后樣品34. 1%12028. 9%69. 08. 1% -19. 7表l. Ba。.5Sr15Na。.6K。.4Nb5015陶瓷的壓電性能比較a"-厚度切變振動模式機電耦合系數；厚度切變振動模式壓電常數；與電場平行 的縱向振動模式機電耦合系數；與電場平行的縱向振動模式壓電常數；橫向長度伸 縮振動模式機電耦合系數；A廠橫向長度伸縮振動模式壓電常數；(pC/N)-壓電常數單位，皮庫每牛頓)
權利要求
1、一種提高Ba0.5Sr1.5Na0.6K0.4Nb5O15陶瓷壓電常數的方法，其特征在于，包括以下步驟1)采用常規陶瓷制備工藝，對Ba0.5Sr1.5Na0.6K0.4Nb5O15材料進行配料、混合和預反應；2)將預反應后的粉料壓制成圓片狀坯體，再進行燒結，形成致密的圓片狀陶瓷體；3)用連續CO2激光輻照步驟2)所得的圓片狀陶瓷體，CO2激光功率密度為764W/cm2，輻照時間為90秒。
全文摘要
一種提高Ba<sub>0.5</sub>Sr<sub>1.5</sub>Na<sub>0.6</sub>K<sub>0.4</sub>Nb<sub>5</sub>O<sub>15</sub>陶瓷壓電常數的方法屬于Ba<sub>0.5</sub>Sr<sub>1.5</sub>Na<sub>0.6</sub>K<sub>0.4</sub>Nb<sub>5</sub>O<sub>15</sub>無鉛壓電陶瓷的改性領域。本發明方法步驟如下1)對Ba<sub>0.5</sub>Sr<sub>1.5</sub>Na<sub>0.6</sub>K<sub>0.4</sub>Nb<sub>5</sub>O<sub>15</sub>材料進行配料、混合和預反應；2)將預反應后的粉料壓制成圓片狀坯體，進行燒結，形成致密的圓片狀陶瓷體；3)用連續CO<sub>2</sub>激光輻照圓片狀陶瓷體，CO<sub>2</sub>激光功率密度為764W/cm<sup>2</sup>，輻照時間為90秒。本發明提高了Ba<sub>0.5</sub>Sr<sub>1.5</sub>Na<sub>0.6</sub>K<sub>0.4</sub>Nb<sub>5</sub>O<sub>15</sub>陶瓷壓電常數，改變了單純依賴改進預燒和燒結的溫度及時間的現狀，操作簡便，效率高，可重復性強。
文檔編號C04B35/622GK101239825SQ200810102388
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月21日 優先權日2008年3月21日
發明者季凌飛, 杜新宇, 蔣毅堅 申請人:北京工業大學