鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷的研究現狀

陳宏

摘 要： 本文主要討論了鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷材料的發展過程，研究了鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷材料的特點及其目前的研究現狀。

關鍵詞： NKN；壓電陶瓷；鈣鈦礦

【中圖分類號】 TQ174 【文獻標識碼】 A【文章編號】 2236-1879（2018）14-0235-01

目前研究的無鉛壓電陶瓷的材料按結構大致可分為以下幾類：鎢青銅結構、含鉍層狀結構和鈣鈦礦結構等。無鉛壓電陶瓷屬于鈮酸鹽系的鈣鈦礦結構。

1.鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的發展

堿性鈮酸鹽作為一種無鉛壓電材料目前備受關注，而對堿性鈮酸鹽的壓電性能的研究集中在了（K、Na）NbO3陶瓷的性能研究上。鈮酸鹽基壓電陶瓷的壓電性能雖不如PZT系陶瓷優越，但它有較高的居里溫度，低的介電常數，較低的機械品質因數Qm值以及高的聲傳播速度，因此它應用在高頻換能器方面，就顯得比PZT效果好，而得到廣泛應用。

NaNbO3室溫下是類鈣鈦礦結構的反鐵電體，存在復雜的結構相變，具有強電場誘發鐵電性，類似于PbZrO3。如果加以某種化學助劑改性，也可以使NaNbO3變成鐵電相，成為鐵電陶瓷。KNbO3陶瓷室溫下是鈣鈦礦型結構的鐵電體，其性能與PbTiO3相似。從晶體相變的情況看，KNbO3從高溫到低溫經歷立方→四方轉變（435℃），四方→正交轉變（225℃），正交→三方轉變（-10℃）等相變。立方相是順電相，而其他三種都是鐵電相，居里溫度為435℃。KNbO3陶瓷的壓電活性較低（kp < 0.30），而對燒結工藝要求卻很嚴，所以不能適應實際生產和使用。如果在KNbO3中添加一定量的NaNbO3，使之形成KNbO3-NaNbO3二元系固溶體陶瓷，則在一定組成范圍內，可以得到較低的介電常數和高的耦合系數，使得這種材料具有實用價值[1]。

2.鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的特點

鈮酸鉀鈉二元系固溶體，化學式可寫成（Kl-xNax）NbO3。通過X射線衍射技術和反應熱測量表明：NKN陶瓷的相變化非常復雜，這種固溶體Na與K的比例可以在任何范圍內連續變化，晶格仍然是鈣鈦礦結構。對于不同的鉀鈉比例，由于結構不同，性能也不同。NKN陶瓷與純KNbO3或NaNbO3的性質不同，類似于反鐵電體PbZrO3和鐵電體PbTiO3形成的固溶體。

然而，該體系陶瓷存在一個很大的缺陷：采用傳統的電子陶瓷制備工藝難以獲得致密性良好的陶瓷體，其主要原因是：NKN相穩定性被限制在1140℃，大于此溫度，NKN將不能以固態形式存在，因此更高的溫度不能達到，這就阻礙了NKN陶瓷的致密化；另外，在燒結過程中Na2O和K2O的揮發，使化學計量比發生偏差，導致產生K4NbO7等雜相，該物質容易潮解，這就極大地限制了此類材料的應用。因此人們采用各種手段來解決之一問題，如熱等靜壓法、冷等靜壓法和模板晶粒生長法。

3.鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷的研究現狀

鈮酸鉀鈉陶瓷在普通大氣壓下燒成時，密度低，晶粒結構有孔隙，性能不夠理想。因此，目前多采用熱壓工藝來制備NKN陶瓷。用熱壓工藝制備出來的NKN陶瓷密度已達到理論密度的99 %以上，顯微結構呈現出細而均勻的晶粒，致密度大大的提高，平面機電耦合系數由kp=0.29（非熱壓）增加到0.46，壓電常數d33也有所增高。采用熱壓或等靜壓工藝能夠雖然可以獲得致密的鈮酸鉀鈉陶瓷，材料的溫度穩定性也得到較大的改善，但材料的穩定性和性能的提高程度并不能令人十分滿意，更重要的是這些工藝是不適用于大規模工業生產，阻礙了無鉛壓電陶瓷的產業化發展。

因此大部分研究還集中在有意義的傳統的電子陶瓷制備工藝方面。在鈮酸鉀鈉陶瓷體系中加入適量的添加助劑（如：ZnO、CuO、MnO2、CdO、SnO2、ScO、WO3、Y2O3、CeO2等）[2][3]；摻雜堿土或稀土金屬錳酸鹽LMnO3（L為Y、Er、Ho、Yb等稀土元素）[4]，采用傳統的電子陶瓷制備工藝也可以得到性能和穩定性良好的陶瓷。此外，據報道，Li、Sb等元素的摻雜（如：NKN-LiNbO3[5]，NKN-LiSbO3[6]將NKN陶瓷的正交-四方相變溫度To-t移到了室溫附近，顯著提高了陶瓷的介電和壓電性能，其壓電系數d33可與硬性摻雜的PZT陶瓷相媲美。

4.研究展望

但是，到目前為止，NKN基陶瓷壓電性能相對于PZT基壓電陶瓷來說，還存在較大差距，如何進一步提高NKN系列陶瓷的燒結致密性；如何在燒結過程中減少K、Na離子的揮發；怎樣通過摻雜改性來進一步提高NKN基陶瓷的壓電性能；如何設法將NKN陶瓷的正交-四方相變溫度To-t進一步移至室溫甚至室溫以下，同時提高其居里溫度Tc等方面仍需進行大量的研究工作。

參考文獻

[1] 許煜寰. 鐵電與壓電材料 [M]. 北京： 科學出版社，1978：293-303.

[2] R. Z. Zuo，J. Rodel，R. Z. Chen，et al. Sintering and Electrical Properties of Lead-free Na0.5K0.5NbO3 Piezoelectric Ceramics [J]. J. Am. Ceram. Soc. 2006，89（6）：2010-2015.

[3] C. W. Ahn，H. C. Song，S. Nahm，et al. Effect of MnO2 on the Piezoelectric Properties of （1-x）（Na0.5K0.5）NbO3-xBaTiO3 Ceramics [J]. Jpn. J. Appl. Phys. 2005，44：L1361-L1364.

[4] Z. S. Ahn，W. A. Schulze. Conventionally Sintered （Na0.5，K0.5）NbO3 with Barium Additions [J]. J. Am. Ceram. Soc. 1987，70（1）：C-18-C-21.

[5] Y. Saito，H. Takao，T. Tani，et al. Lead-free Piezoceramics [J]. Nature，2004，432（31）：84-87.

[6] S. J. Zhang，R. Xia，T. R. Shrout，et al. Characterization of Lead Free （K0.5Na0.5）NbO3-LiSbO3 Piezoceramic [J]. Solid State Commun. 2007，141（12）： 675-679.

作者簡介：陳 宏（1980——），女，陜西三原 碩士研究生，武警工程大學基礎部物理教研室講師。研究方向：電子功能陶瓷。