本發明屬于壓電應用領域，涉及一種提高(Na,K)NbO3(NKN)基無鉛壓電陶瓷穩定性及壓電性能的材料后處理方法。
背景技術：
：高性能壓電陶瓷在壓電驅動器、換能器、信息等高科技領域有著重要應用。目前商業化應用的鋯鈦酸鉛(PZT)基壓電陶瓷中含有大量的有毒元素鉛，對人類健康和環境產生嚴重危害。因此，開發高壓電性、環境友好型無鉛壓電陶瓷來取代PZT基含鉛壓電陶瓷具有重要的社會和經濟意義。在(Na,K)NbO3，(Bi,Na)TiO3和BaTiO3三大類最有前景的無鉛壓電陶瓷中，NaNbO3-KNbO3((Na,K)NbO3，NKN)體系具有高居里溫度和較好的壓電性能，適合在壓電換能器領域應用。對于NKN基無鉛壓電陶瓷來說，通過添加燒結助劑、摻雜“第二組元”、開發新的燒結技術，以提高NKN基陶瓷的致密度從而改善壓電性能是目前研究的重要課題。除此之外，困擾NKN基無鉛壓電陶瓷應用的另一個關鍵問題是其壓電性能的劣化問題。眾所周知，壓電陶瓷需要施加直流電場進行極化才能呈現壓電性能。對于PZT基含鉛壓電陶瓷來說，不需要額外的材料后處理，只要在室溫或一定溫度、施加一定的直流電場極化一定的時間(取決于材料組成)，即可獲得穩定的壓電性能。然而，對于NKN基無鉛壓電陶瓷來說，由于陶瓷燒結過程中堿金屬離子Na、K的揮發產生大量氧空位，導致傳統的直流電場極化工藝難以充分極化、且壓電性能容易劣化。本發明的目的在于探索新的材料后處理工藝、結合現有的直流電場極化工藝，以提高NKN基無鉛壓電陶瓷的穩定性并改善壓電性能。技術實現要素：本發明要解決的技術問題是：克服現有技術中傳統的直流電場極化工藝難以充分極化NKN基無鉛壓電陶瓷、且極化后的NKN基無鉛壓電陶瓷壓電性能容易劣化的技術問題。為解決上述技術問題，本發明提供了一種提高NKN基無鉛壓電陶瓷穩定性及壓電性能的材料后處理方法，該方法通過交流電場極化、氧氣氛下熱處理和加應力熱處理并場冷對NKN基無鉛壓電陶瓷進行材料后處理，以實現提高NKN基無鉛壓電陶瓷的穩定性并改善壓電性能的目的。本發明的主要內容包括：提高NKN基無鉛壓電陶瓷的穩定性并改善壓電性能的材料后處理方法包括以下步驟：(1)在中頻中等強度交流電場下、對NKN基陶瓷進行交流電場極化處理，促進氧空位釘扎于晶界和遷移至表面；(2)在中溫氧氣氛下熱處理1-2h，消除氧空位，提高穩定性；(3)在400℃施加10MPa壓應力熱處理1h，隨后，施加1kV/mm直流電場、以2-4℃/min冷卻至室溫，改善極化性能；(4)將預處理之后的NKN基無鉛壓電陶瓷，采用傳統的直流電場極化工藝對NKN基陶瓷進行直流電場極化。步驟(1)所述的中頻指1-100kHz，優選為10-20kHz；所述的中等強度電場指1.5-2.5kV/mm。步驟(1)所述交流電場極化處理時間為15-30min。步驟(2)所述的中溫指550-600℃；所述的氧氣氛指熱處理設備內純氧壓力維持0.1-0.11MPa。所述NKN基無鉛壓電陶瓷指NKN-CT和NKN-LS陶瓷，也適用于其他NKN基無鉛壓電陶瓷。本發明的有益效果：本發明通過采用中頻中等強度交流電場進行交流電場極化處理、中溫氧氣氛下熱處理和加應力熱處理并場冷對NKN基無鉛壓電陶瓷進行材料后處理，消除了材料中的氧空位、實現了電荷平衡，解決了NKN基陶瓷燒結過程中堿金屬離子Na、K的揮發產生大量氧空位，導致該材料難以充分極化、且壓電性能有明顯衰減的技術問題，然后再采用傳統的直流電場極化工藝進行極化，可以明顯改善NKN基無鉛壓電陶瓷的壓電性能(提高10-20％)，且該后處理方法提高了NKN基無鉛壓電陶瓷的穩定性(壓電性能3個月無明顯劣化)，有望解決NKN基無鉛壓電陶瓷穩定性差的問題。為了對本發明作更詳細的描述，現結合實施例與附圖簡介如下：附圖說明圖1固相反應法制備的NKN-CT無鉛壓電陶瓷經本發明材料后處理方法處理后的穩定性具體實施方式實施例1：參照(方必軍等，摻雜對(Na1/2K1/2)NbO3-CaTiO3無鉛陶瓷燒結溫度和電學性能的影響，硅酸鹽學報，2010，38(3)：374-380)的制備方法將固相反應法制備的0.95NKN-0.05CT無鉛壓電陶瓷在20kHz、2.0kV/mm電場下進行交流電場極化處理15min；隨后，在熱處理設備內維持純氧壓力0.1-0.11MPa、在550℃熱處理2h；最后，施加10MPa壓應力、在400℃熱處理1h，施加1kV/mm直流電場、以2-4℃/min冷卻至室溫；通過對0.95NKN-0.05CT無鉛壓電陶瓷進行材料后處理，然后再采用文獻報道的條件進行直流電場極化，直流電場可以增加到5kV/mm。實施例2：參照(NaJiang,etal.,EffectsofthesecondcomponentonthestructureandelectricalpropertiesofNa1/2K1/2NbO3-basedlead-freepiezoelectricceramics,Ferroelectrics,2011,413(1):73-83)的制備方法將固相反應法制備的0.95NKN-0.05LS無鉛壓電陶瓷在10kHz、1.5kV/mm電場下進行交流電場極化處理30min；隨后，在熱處理設備內維持純氧壓力0.1-0.11MPa、在600℃熱處理1h；最后，施加10MPa壓應力、在400℃熱處理1h，施加1kV/mm直流電場、以2-4℃/min冷卻至室溫；通過對0.95NKN-0.05LS無鉛壓電陶瓷進行材料后處理，然后再采用文獻報道的條件進行直流電場極化，直流電場可以增加到3kV/mm。圖1給出了固相反應法制備的NKN-CT無鉛壓電陶瓷經本發明材料后處理方法處理后的穩定性曲線。可以看出，本發明提出的材料后處理方法，因為消除了NKN基陶瓷中的氧空位，所以NKN-CT陶瓷壓電性能的穩定性明顯提高，在3個月內，壓電性能沒有明顯變化，能夠解決NKN基無鉛壓電陶瓷穩定性差的問題。表1給出了固相反應法制備的NKN-CT和NKN-LS無鉛壓電陶瓷沒有經過材料后處理和本發明經過材料后處理的壓電性能比較。可以看出，通過采用本發明提出的材料后處理方法對NKN基無鉛壓電陶瓷進行預處理，再采用傳統的直流電場極化工藝對NKN基陶瓷進行直流電場極化，因為可以施加更大的直流電場進行極化，壓電性能提高了10-20％。Kp是指：徑向振動機電耦合系數d33是指：壓電應變常數Δd33是指：壓電應變常數的增加ΔKp是指：機電耦合系數的增加表1固相反應法制備的NKN-CT和NKN-LS無鉛壓電陶瓷沒有經過材料后處理和本發明經過材料后處理的壓電性能比較對比實施例1將參照實施例1中固相反應法制備的0.95NKN-0.05CT無鉛壓電陶瓷在200Hz、500V/mm電場下進行交流電場極化處理15min；隨后，在熱處理設備內維持純氧壓力0.1-0.11MPa、在550℃熱處理2h；最后，施加10MPa壓應力、在400℃熱處理1h，施加1kV/mm直流電場、以2-4℃/min冷卻至室溫；通過對0.95NKN-0.05CT無鉛壓電陶瓷進行材料后處理，然后再采用文獻報道的條件進行直流電場極化，直流電場可以增加到5kV/mm。對比實施例2將參照實施例1中固相反應法制備的0.95NKN-0.05CT無鉛壓電陶瓷在20kHz、2.0kV/mm電場下進行交流電場極化處理15min；然后，施加10MPa壓應力、在400℃熱處理1h，施加1kV/mm直流電場、以2-4℃/min冷卻至室溫；通過對0.95NKN-0.05CT無鉛壓電陶瓷進行材料后處理，然后再采用文獻報道的條件進行直流電場極化，直流電場可以增加到5kV/mm。表2NKN-CT無鉛壓電陶瓷經不同條件材料后處理的壓電性能比較d33(pC/N)Kp實施例11380.25對比實施例11180.23對比實施例21160.22當前第1頁1 2 3