技術領域

本發明屬于功能陶瓷材料技術領域，特別涉及鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷材料。

背景技術

隨著微電子和微機電系統的快速發展，壓電鐵電陶瓷及其器件得到廣泛的應用。目前市場上大規模使用的壓電陶瓷材料體系主要是鉛基壓電陶瓷，鉛系壓電陶瓷雖然具有優異的壓電性能，但在其生產、使用及廢棄后的處理過程中都會給人類及生態環境帶來嚴重危害，因此新型環境友好的壓電陶瓷材料已經成為世界發達國家研發的熱點材料之一。其中，自從2004年Saito等人在鈮酸鉀鈉基體系無鉛壓電陶瓷領域取得重大突破，該體系已成為目前最受關注的無鉛壓電陶瓷體系。經過近幾年研究人員的努力，鈮酸鉀鈉基體系陶瓷材料可以利用低成本的固相合成法，通過摻雜改性、成分及微觀結構調控或復合其他氧化物等方法獲得高壓電鐵電性能。但是，外界環境因素，如溫度和濕度，漸漸成為制約鈮酸鉀鈉基體系材料實際應用發展的瓶頸。其中，鈮酸鉀鈉基體系的溫度穩定性問題是由其多相共存(正交相與四方相)現象導致的，自2007年該問題被提出后，已成為目前該體系的研究熱點之一。通過大量研究表明，A/B位離子摻雜、復合其他氧化物陶瓷等方法可較好地改善其溫度穩定性。而外界環境因素中另一關鍵問題--濕度對鈮酸鉀鈉基體系性能的影響也正漸漸引起國內外研究人員的關注。如Safari課題組發現，鈮酸鉀鈉基基壓電陶瓷的機電耦合系數與制備過程中的環境濕度(實驗室環境濕度與惰性Ar氣氛下比較)相關；我們的前期工作發現，對鈮酸鉀鈉基體系原材料粉體以及預燒粉進行去濕處理及存放，會顯著影響鈮酸鉀鈉基燒結塊體的壓電性能。

其實，鈮酸鉀鈉基體系陶瓷易吸潮這一關鍵問題早在上世紀50年代就被提出，但真正引起關注并投入研究的時間并不長，主要原因是鈮酸鉀鈉基體系壓電陶瓷的研究曾經在很長的時間內處于低谷。鈮酸鉀鈉基體系陶瓷易潮解，主要是因為該結構中富含親水基鉀-氧、鈉-氧，這些大量感濕基的存在也同時導致鈮酸鉀鈉基體系在不同環境濕度下的性能穩定性差，嚴重阻礙鈮酸鉀鈉基體系無鉛壓電陶瓷替代鉛基材料的應用進程。因此，國內外科研人員針對鈮酸鉀鈉基體系易潮解這一問題展開了相關研究，目的是提高鈮酸鉀鈉基體系在水中的耐濕性：如鄭等人通過復合第二相鉭酸鈧來提高鈮酸鉀鈉基體系的耐水性，得到的鈮酸鉀鈉基固溶體在水中浸泡120小時后取出，壓電常數和介電損耗變化均在6％之內[Chin.Phys.Lett.，26(2009)127701]。Y.Oba等人則通過添加1wt％的氧化鋅為基的玻璃相來提高鈮酸鉀鈉基的耐水性，實驗結果顯示添加玻璃相后的鈮酸鉀鈉基材料在85℃的水中放置150h后，介電常數和機電耦合系數變化在1％之內，而純鈮酸鉀鈉基陶瓷的變化量高于10％[2011?IOP?Conf.Ser.：Mater.Sci.Eng18(2011)092050]。

但在鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷體系的實際應用環境中，除了考慮其基本的耐水性之外，更多得是涉及到不同環境濕度下鈮酸鉀鈉基體系陶瓷電學性能的穩定性。因此，找到一種，可以提高該體系材料在不同濕度環境下的性能穩定性的方法，對推動鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷替代鉛基陶瓷的進程具有非常重要的科學意義。

發明內容

本發明的目的是提供一種提高鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷濕度穩定性的添加劑。

本發明的目的是這樣實現的：以純鈮酸鉀鈉(成分為K₀₄₈Na_0.52NbO₃)為基體，利用球磨法添加氧化硼基金屬氧化物(xB₂O₃-(1-x)MO)(x范圍為0.5-1.0)，其中MO包括氧化鋅、氧化銅、二氧化鈰、三氧化二鉍、氧化鈣、二氧化硅)，再利用固相合成法制備得到成分為m(K_0.48Na_0.52NbO₃)-n(xB₂O₃-(1-x)MO)(其中m范圍為0.8-0.98，n范圍為0.02-0.2)鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷塊體材料。該固溶體材料在不同濕度下的介電特性變化率明顯小于純鈮酸鉀鈉，也即該材料的濕度穩定性顯著提高。以添加純氧化硼為例，該材料的制備是通過以下步驟實施：

(1)將純度為99.9％的五氧化二鈮粉和分析純的碳酸鉀粉、碳酸鈉粉、氧化硼粉按照成分1-x(K_0.48Na_0.52)NbO₃-xB₂O₃(x范圍從0.02～0.2)稱量；