北京科技大学科技成果——高性能铌酸盐基无铅压电陶瓷

专利名称：铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法专利类型：发明专利
发明人：王轲,刘亦轩,李敬锋,陈川,王妍
申请号：CN202111631976.5
申请日：20211228
公开号：CN114276138A
公开日：
20220405
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法，制备方法包括以下步骤：将包含无机酸盐和金属氧化物的混合物依次进行一次预烧和二次预烧，得到陶瓷粉体；其中，所述一次预烧的温度低于二次预烧的温度，所述无机酸盐包括Na、K、Li中的至少一种的无机酸盐，所述金属氧化物包括Nb、Ta、Sb中的至少一种的金属氧化物；使所述陶瓷粉体在惰性气氛下进行热压烧结处理后，再在含氧气体下进行退火处理，得到压电陶瓷，该制备方法能够提高压电陶瓷的机械品质因数及其温度稳定性。

申请人：清华大学
地址：100084 北京市海淀区清华园
国籍：CN
代理机构：北京同立钧成知识产权代理有限公司
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铌酸钾钠压电陶瓷
铌酸钾钠压电陶瓷是一种具有优异压电性能的陶瓷材料，具有广泛的应用前景。

它的主要成分是铌酸钾钠，因此也被称为KNN陶瓷。

KNN陶瓷具有高压电系数、低损耗、高稳定性等优点，可以用于制作压电传感器、压电换能器、压电振荡器等器件。

KNN陶瓷的制备方法主要有固相反应法、水热法、溶胶-凝胶法等。

其中，固相反应法是最常用的制备方法之一。

该方法的原理是将铌酸钾和铌酸钠混合，加入助熔剂，经过高温煅烧得到KNN陶瓷。

水热法和溶胶-凝胶法则是利用水热或溶胶-凝胶反应制备KNN陶瓷。

KNN陶瓷的应用领域非常广泛。

在压电传感器方面，KNN陶瓷可以用于制作压力传感器、加速度传感器、温度传感器等。

在压电换能器方面，KNN陶瓷可以用于制作压电陶瓷换能器、压电陶瓷超声波换能器等。

在压电振荡器方面，KNN陶瓷可以用于制作压电陶瓷谐振器、压电陶瓷滤波器等。

除了上述应用领域外，KNN陶瓷还可以用于制作电容器、电子陶瓷、微波陶瓷等。

此外，KNN陶瓷还可以用于制作太阳能电池、燃料电池等新型能源器件。

总的来说，KNN陶瓷具有广泛的应用前景，是一种非常有潜力的陶瓷材料。

随着科技的不断发展，KNN陶瓷在各个领域的应用将会越来越广泛。

第23卷 第2期2009年 5月山 东 轻 工 业 学 院 学 报J OURNAL OF S HANDONGI NS T I TUTE OF L I GHTI NDUS TRY Vo.l 23 No .2M ar . 2009收稿日期:2009-03-20基金项目:济南市科学技术发展计划项目(046039)作者简介:郑凯(1985-),男,山东省泰安市人,山东轻工业学院材料科学与工程学院硕士研究生,研究方向:功能陶瓷.文章编号:1004-4280(2009)02-0013-04铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的研究进展郑 凯,沈建兴,范战彪,马 元(山东轻工业学院材料科学与工程学院,山东济南250353)摘要:铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的研究和开发是当前压电铁电材料领域的研究热点之一。

本文结合近期国内外有关无铅压电陶瓷论文,综述了铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的性能和改性方法,简介了几种最先进的制备方法,并分析了无铅压电陶瓷发展趋势。

关键词:铌酸盐;无铅压电陶瓷;掺杂;改性中图分类号:T M225 文献标识码:AR esearch and advances of the KNbO 32Na NbO 3base lead 2free p iezoelectric cera m icsZ HENG Ka,i S HEN Jian 2xing ,F AN Zhan 2biao ,MA Yuan(Scho ol ofM ater i a l Sc i ence and Engi neeri ng ,Shandong Institute of Lig h t Industry ,Jinan 250353,Ch i na)Abstr act :The research and deve lopment ofKNbO 32N a N bO 3base lead 2free piez oe lectric cera m ics is hot i n the fie l d of p i e zoe lectric and f err oe lectric materia ls .Th is paper revie ws the perf or mance and mod ifi e smethods of the KNbO 32N a N bO 3base lead 2f ree piez oe l e ctric cera m ics ,introduces several latest preparation methods briefl y ,and ana l y zes the development trend of lead 2free p iezoelectric cera m ics .K ey w ord s :n i o bate ;l e ad 2free p iezoelectric cera m ics ;doped ;mod ified0 引言压电陶瓷材料在压电材料中的用途最广、最频繁,是一类极为重要的国际竞争激烈的高技术新型功能材料,在当今信息工业时代,压电陶瓷材料在电子学、光电子学等诸多高科技领域应用甚广,如在超声换能、传感器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用,其销售额在整个电子功能陶瓷材料的世界贸易市场中的份量多于1/3[1,2]。

北京科技大学科技成果——纳米钛酸钡基电子陶瓷粉体的溶胶-凝胶自燃合成产业化项目简介铁电陶瓷粉体及其集成器件的研究与开发是目前最为活跃的领域。

大部分铁电陶瓷是钙钛矿型复氧化物，其中最为重要的是BaTiO3基氧化物陶瓷。

BaTiO3是在第二次世界大战的1942年到1945年间，由美国、苏联、日本各自发现的高介电常数、强介电体的材料。

由于其具有优越的介电、压电、铁电性能，被广泛应用于制备各种陶瓷电容器、微波器件、铁电存储器、温度传感器、非线性变阻器、热敏电阻、超声波振子、蜂窝状发热体等电子器件。

随着现代科学技术的飞速发展和电子元件的小型化、高度集成化，需要制备与合成符合发展要求的高质量的钛酸钡基陶瓷粉体。

纳米BaTiO3基电子陶瓷具有独特的绝缘性、压电性、介电性、热释电性和半导体性为元器件的小型化、集成化带来可能，大大提高了产品的附加值和市场竞争力。

如采用纳米BaTiO3粉末制多层电容器，可以显著减薄每层厚度增加层数，从而大大提高电容量和减小体积。

因此，低成本合成钛酸钡基纳米陶瓷粉体对我国信息产业、电子工业等的发展具有重要的意义。

溶胶-凝胶自燃合成（Sol-gel Auto ignition Synthesis，SAS）是九十年代伴随着高温燃烧合成的深入研究和超纯、超细氧化物陶瓷的制备而出现的一种低成本制备与合成单一氧化物和复杂氧化物的技术。

它是指有机盐凝胶或有机盐与金属硝酸盐在加热过程中发生氧化还原反应，燃烧产生大量气体，可自我维持并合成所需燃烧产物的材料合成工艺。

它的主要的特点有以下几点：1、燃烧体系的点火温度低（150℃-200℃），一般为有机物的分解温度；2、燃烧火焰温度较低（1000℃-1400℃），燃烧时产生大量气体，可获得具有高比表面积的陶瓷粉体。

高温燃烧合成燃烧温度一般高于1800℃，合成的粉体粒度较粗，而SLCS则可制得纳米粉末；3、各组分达到分子或原子水平的复合；4、反应迅速：燃烧合成一般在几分钟内完成；5、所合成的粉体疏松多孔，分散性良好；6、耗能低；7、所用设备和工艺简单、投资小；8、自净化：由于原料中的有害杂质在燃烧合成过程中能挥发逸出，所以产品纯度易于提高。

一、实验目的本实验旨在探究无铅压电陶瓷的制备工艺、性能测试及其在压电应用中的潜在价值。

通过实验，了解无铅压电陶瓷的物理化学性质，掌握其制备过程，并评估其在压电性能方面的表现。

二、实验材料与设备1. 实验材料：- 钛酸铋钠（Na0.5Bi0.5TiO3，简称NBT）- 钛酸锶钡（BaxSr1-xTiO3，简称BST）- 氧化铋（Bi2O3）- 氧化钡（BaO）- 氧化钠（Na2O）- 氧化钾（K2O）- 氧化锂（Li2O）2. 实验设备：- 搅拌机- 烧结炉- 压电测试仪- 扫描电子显微镜（SEM）- X射线衍射仪（XRD）- 能量色散谱仪（EDS）三、实验步骤1. 粉体合成：将上述原料按一定比例混合，在搅拌机中充分混合均匀，制备成粉末。

2. 烧结：将混合好的粉末装入模具，在烧结炉中加热至一定温度，保温一段时间后冷却。

3. 性能测试：利用压电测试仪测试样品的压电性能，包括介电常数、介电损耗、压电系数等。

利用SEM、XRD和EDS分析样品的微观结构和物相组成。

四、实验结果与分析1. 介电性能：实验结果表明，NBT基无铅压电陶瓷具有较高的介电常数（εr=1000-3000），介电损耗较低（tanδ=0.001-0.02），表现出良好的介电性能。

2. 压电性能：实验结果表明，NBT基无铅压电陶瓷具有较高的压电系数（d33=300-500pC/N），在压电应用中具有较高的潜力。

3. 微观结构：SEM结果表明，样品具有良好的晶粒结构，晶粒尺寸约为1-2 μm。

XRD结果表明，样品主要由NBT相组成，并伴有少量其他相。

EDS结果表明，样品中元素分布均匀。

4. 性能优化：通过调整原料比例、烧结温度等参数，可以进一步优化无铅压电陶瓷的性能。

例如，增加氧化铋的含量可以提高材料的压电系数，降低烧结温度可以缩短烧结时间。

五、结论本实验成功制备了NBT基无铅压电陶瓷，并对其性能进行了测试。

结果表明，NBT基无铅压电陶瓷具有较高的介电常数、压电系数和良好的微观结构，具有在压电应用中的潜力。

老师、同学们:大家晚上好！今天我要给大家介绍的是铌酸盐无铅压电陶瓷的制备与性能研究，我将从项目简介、发展趋势、研究内容和目标、技术路线、实验可行性等五个方面介绍。

现阶段,压电陶瓷是一类重要的高新技术新材料,由于能实现机械能和电能的相互转化，在信息、传感、探测、执行和滤波等诸多领域有着广泛的应用。

铌酸钾钠(简称KNN) 基无铅压电陶瓷以其极好的铁电性能(Pr=33μC/cm2)、较高的居里温度(420℃)和无铅化，受到国内外很多学者的关注与研究。

根据复合掺杂改性的原理，着重将不同结构的K4CuNb8O23和Na5.4Cu1.3Ta10O29掺入K0.5Na0.5NbO3-Bi0.5Na0.5TiO3-LiSbO3陶瓷，以获得压电常数、机械品质因数双优的KNN基无铅压电陶瓷体系。

着重从多型相界和多型相变考虑。

开发一系列具有多型相界结构的KNN基多元固溶体系，并使多型相变移至室温乃至室温以下，从而制备出温度稳定性好且综合性能优良的KNN基无铅压电陶瓷材料。

目前广泛使用的压电陶瓷大多数是铅基陶瓷，如锆钛酸铅(PZT)、锆钛酸铅镧(PLZT)、铌镁锆钛酸铅(PMN)等。

这些陶瓷中氧化铅的质量百分比高达70%，氧化铅是一种有毒的物质，特别是在高温烧结时挥发较重，易伤害生产人员身体健康并造成严重的环境铅污染。

国内外很多学者通过非传统烧结技术、掺杂或加入烧结助剂等方法，制备出具有较好压电性能的高致密KNN系无铅压电陶瓷。

如下表所示，在铌酸钾钠中掺入锂、锶、铜、锌、锑、钡等金属后致密度、机械品质系数、居里温度等都有所提高。

由于KNN陶瓷在烧结过程中K2O、Na2O 等组分容易挥发，陶瓷较难致密化，其性能也因此受到显著影响，通过掺杂、研究和改进压电陶瓷的传统工艺，摸索出将陶瓷粉体制成压电陶瓷最佳工艺条件，如烧结温度和时间、压片时的压力等；探讨KCN、KCT等对KNN-BNT-LS 陶瓷的掺杂及对其性能的影响，找出最佳配比。

铌酸钠无铅陶瓷的制备和性能研究罗泳文;杨同青;姚熹【摘要】采用传统陶瓷制备方法制备了致密的NaNbO3无铅铁电陶瓷。

利用XRD、SEM、介电温谱等分析技术,研究了CuO和MnO2掺杂对NaNbO3无铅铁电陶瓷的合成温度、烧成工艺、结构相变以及铁电性能的影响。

结果表明通过CuO和MnO2掺杂能在较低温度下制备出致密的NaNbO3陶瓷和陶瓷的致密度,电学性能随着烧成温度的变化存在一个最优值,最佳烧结温度为1050℃,体积密度达到4.38g/cm3为理论密度的98.6%。

该陶瓷在15～120℃均表现出铁电性能,具有压电活性,常温下介电常数为287,居里温度为390℃。

%In thispaper,NaNbO3 lead-free ferroelectric ceramics was synthesized by a conventional solid state reaction at a low temperature.The effect of CuO and MnO2 on sintering temperature,structure and properties was studied by XRD,SEM and other methods.The result shows that CuO and MnO2-doped dense NaNbO3 lead-free ceramics was obtained at a low sintering temperature.The properties of NaNbO3 ceramics had a best sintering temperature of 1050℃.The density was 4.38g/cm3 and reached 98.6% of the theoretical density.Ferroelectric properties were observed from 15-120℃,the Curie temperature was 390℃.The dielectric constant was 287 and the dielectric loss was less than 2% at room temperature.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2011(042)007【总页数】4页(P1285-1287,1292)【关键词】铌酸钠;无铅陶瓷;掺杂;铁电性能;介电性能【作者】罗泳文;杨同青;姚熹【作者单位】同济大学功能材料研究所,上海200092;同济大学功能材料研究所,上海200092;同济大学功能材料研究所,上海200092【正文语种】中文【中图分类】TM282铌酸盐系无铅压电陶瓷作为无铅压电陶瓷研究的体系之一，具有较高的居里温度及机电耦合系数［1］。

专利名称：一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的制备方法专利类型：发明专利
发明人：张波萍,李海涛,尚鹏鹏
申请号：CN200710179577.3
申请日：20071214
公开号：CN101186502A
公开日：
20080528
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法，属于功能材料领域。

该材料的化学组成式可表示为(1－x)(LiNaK)NbO+xRO，其中0≤x≤0.02，RO为金属氧化物。

严格控制烧结温度和升温速率，采用两步烧结法制备铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料，第一步以30℃/min升温到850～950℃，第二步以10℃/min升温到1050～1150℃，保温2～10min，然后以20℃/min降至950～1050℃，保温10～20h，随后降至室温。

得到新型压电陶瓷材料。

其压电常数d较传统烧结工艺提高10～20％。

申请人：北京科技大学
地址：100083 北京市海淀区学院路30号
国籍：CN
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铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的研究现状本文主要讨论了铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料的发展过程，研究了铌酸钾钠基无铅压电陶瓷材料的特点及其目前的研究现状。

标签：NKN；压电陶瓷；钙钛矿目前研究的无铅压电陶瓷的材料按结构大致可分为以下几类：钨青铜结构、含铋层状结构和钙钛矿结构等。

无铅压电陶瓷属于铌酸盐系的钙钛矿结构。

1.铌酸钾钠无铅压电陶瓷的发展碱性铌酸盐作为一种无铅压电材料目前备受关注，而对碱性铌酸盐的压电性能的研究集中在了（K、Na）NbO3陶瓷的性能研究上。

铌酸盐基压电陶瓷的压电性能虽不如PZT系陶瓷优越，但它有较高的居里温度，低的介电常数，较低的机械品质因数Qm值以及高的声传播速度，因此它应用在高频换能器方面，就显得比PZT效果好，而得到广泛应用。

NaNbO3室温下是类钙钛矿结构的反铁电体，存在复杂的结构相变，具有强电场诱发铁电性，类似于PbZrO3。

如果加以某种化学助剂改性，也可以使NaNbO3变成铁电相，成为铁电陶瓷。

KNbO3陶瓷室温下是钙钛矿型结构的铁电体，其性能与PbTiO3相似。

从晶体相变的情况看，KNbO3从高温到低温经历立方→四方转变（435℃），四方→正交转变（225℃），正交→三方转变（-10℃）等相变。

立方相是顺电相，而其他三种都是铁电相，居里温度为435℃。

KNbO3陶瓷的压电活性较低（kp < 0.30），而对烧结工艺要求却很严，所以不能适应实际生产和使用。

如果在KNbO3中添加一定量的NaNbO3，使之形成KNbO3-NaNbO3二元系固溶体陶瓷，则在一定组成范围内，可以得到较低的介电常数和高的耦合系数，使得这种材料具有实用价值[1]。

2.铌酸钾钠无铅压电陶瓷的特点铌酸钾钠二元系固溶体，化学式可写成（Kl-xNax）NbO3。

通过X射线衍射技术和反应热测量表明：NKN陶瓷的相变化非常复杂，这种固溶体Na与K 的比例可以在任何范围内连续变化，晶格仍然是钙钛矿结构。

对于不同的钾钠比例，由于结构不同，性能也不同。

Na/K比对(Na, K, Li)NbO3压电陶瓷的结构和电学性能的影响赵笑昆，张波萍，秦海霞，赵磊，朱立峰，李妍(北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083)摘要：采用传统烧结工艺，在 1 040 ℃下烧结 2 h 制备了(Na x K1-x)0.945Li0.055NbO3无铅压电陶瓷，研究了Na/K 比对陶瓷的相结构、微观形貌和电学性能的影响。

x=0.50~0.51 时样品呈正交相(O)，x=0.51~0.54 时样品由正交相(O)转变为正交相-四方相(O-T)共存。

介温谱显示O-T相转变温度随Na/K 比的增加由75 ℃降低至室温，所有样品的居里温度T C保持在460~470 ℃。

随Na 含量增加，晶粒尺寸呈减小趋势，剩余极化强度P r从13.6 µC/cm2减小到 6.2 µC/cm2，矫顽场E C基本保持不变。

由于O-T 相共存，d33和k p在x=0.53 处分别达到最高值263 pC/N 和0.387。

Li 掺杂明显减低O-T 相变温度，Li 掺量高于0.05 后改变Na/K 比可获得具有多形态相变特征的陶瓷样品，且Li 含量越高，可出现多形态相变的成分中Na/K 比越小。

关键词：压电陶瓷；铌酸盐；多形态相变；微观结构；电学性能；钠；钾中图分类号：TM282 文献标志码：AEffect of Na/K ratio on the microstructure and electricalproperties of (Na, K, Li)NbO3 ceramicsZhao Xiaokun, Zhang Boping, Qin Haixia, Zhao Lei, Zhu Lifeng, Li Yan (School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083, China)Abstract：(Na x K1-x)0.945Li0.055NbO3 piezoelectric ceramics were prepared by a normal sintering at 1040 ℃for 2 h. The phase structure, microstructure and electrical properties were investigated with aspecial emphasis on the effect of the Na/K ratio. The samples at x=0.50 0.51 showed an orthorhombic(O) symmetry, while a polymorphic phase transition (PPT) between orthorhombic and tetragonal (O-T)phases appeared in samples at x=0.52 0.54. The T O-T decreased from 75 ℃to room temperature byincreasing the Na/K ratio, while T C maintained at 460 470 ℃. Increasing Na content led to adecreasing trend in grain size and P r from 13 to 6 µC/cm2, while the E c maintained at 2 kV/mm.Sample x=0.053 showed excellent piezoelectric properties with d33=263 pC/N, k p=0.387 owing to thecoexisted O-T phases. It was found presently that a PPT was obtainable by modifying the Na/K ratiowhen fixing Li content at a level higher than 0.05, although the PPT was usually tailored by optimizingLi content. The composition of the ceramics with PPT characteristics showed a decreasing trend in theNa/K ratio when increasing Li content.Key words: piezoelectric ceramics; niobates; polymorphic phase transition; microstructure; electricproperties; sodium; potassiumPb(Zr, TiO)3 (PZT)基压电陶瓷的压电性能优异，已广泛应用于滤波器、换能器和驱动器等电子信息材料领域[1-2]。