一种铌酸钾钠基无铅压电材料技术领域
本发明涉及压电材料，特别是一种铌酸钾钠基无铅压电材料。
背景技术
压电陶瓷是一种能实现机械能与电能相互转换的重要功能材料，压电陶瓷材料因
其具有机电耦合系数高、价格便宜、几乎可以做成任意要求的形状、易于批量生产等优点而
广泛应用于信息、激光、导航、航天和生物等高技术领域。
1954年，铅基压电陶瓷发现后，因其性能优异，廉价易得，在整个压电陶瓷的应用
领域一直处于垄断地位。铅基压电陶瓷虽然性能优异，但其铅氧化物（PbO或Pb3O4）的比重约
为70%，在其制备、使用和废弃后回收过程中会给人类健康和生态环境带来严重危害。从人
类可持续发展方面考虑，压电陶瓷无铅化是发展的最终方向。
无铅压电陶瓷主要有铋层状系、乌青铜系及钙钛矿系。铋层状系、乌青铜系陶瓷压
电性能差，矫顽场大，不能应用于换能器、传感器及压电致动器等要求高压电性能的领域。
钙钛矿系无铅压电陶瓷主要包括钛酸钡系（BaTiO3）、钛酸铋钠系(Bi0.5Na0.5TiO3)和铌酸钾
钠系(K0.5Na0.5NbO3)。BaTiO3（BT）因其烧结困难、居里温度低，在一定程度上限制了其研究与
应用。Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）矫顽场过高，存在退极化温度使其难以应用。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种铌酸钾钠基
无铅压电材料，可有效解决烧结困难，产品居里温度低，难以应用的问题。
本发明解决的技术方案是，一种铌酸钾钠基无铅压电材料，其通式为(1-x)
(0.96K0.48Na0.52NbO3–0.04Bi0.5K0.5ZrO3)–xBaZrO3（简写为KNN-BKZ-xBZ）其中0≤x≤0.020。
本发明原料丰富，成本低，易生产制造，其产品压电性能高，具有很强的实用价值，
利于工业化生产，经济和社会效益显著。
附图说明
图1为本发明陶瓷在衍射角2θ区间为20°～60°的XRD图谱。
图2为本发明陶瓷在10kHz测试频率下从室温到550°C的介电常数随温度的变化的
介温曲线图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作详细说明。
本发明在具体实施中，可由以下实施例给出。
实施例1
本发明在具体实施中，一种铌酸钾钠基无铅压电材料，其通式为(1-x)
(0.96K0.48Na0.52NbO3–0.04Bi0.5K0.5ZrO3)–xBaZrO3，其中x为0，即通式为0.96K0.48Na0.52NbO3–
0.04Bi0.5K0.5ZrO3。
实施例2
本发明在具体实施中，一种铌酸钾钠基无铅压电材料，其通式为(1-x)
(0.96K0.48Na0.52NbO3–0.04Bi0.5K0.5ZrO3)–xBaZrO3，其中x为0.01，即通式为0.99
(0.96K0.48Na0.52NbO3–0.04Bi0.5K0.5ZrO3)–0.01BaZrO3。
实施例3
本发明在具体实施中，一种铌酸钾钠基无铅压电材料，其通式为(1-x)
(0.96K0.48Na0.52NbO3–0.04Bi0.5K0.5ZrO3)–xBaZrO3，其中x为0.015，即通式为0.985
(0.96K0.48Na0.52NbO3–0.04Bi0.5K0.5ZrO3)–0.015BaZrO3。
实施例4
本发明在具体实施中，一种铌酸钾钠基无铅压电材料，其通式为(1-x)
(0.96K0.48Na0.52NbO3–0.04Bi0.5K0.5ZrO3)–xBaZrO3，其中x为0.02，即通式为0.98
(0.96K0.48Na0.52NbO3–0.04Bi0.5K0.5ZrO3)–0.02BaZrO3。
本发明在制备时，可采用传统固相烧结法进行制备，即以Na2CO3、K2CO3、Nb2O5、
Bi2O3、Zr2O2和BaCO3为原料，按照相应无铅压电陶瓷的化学式进行配料。将配好的原料
(BaZrO3先球磨预烧后，再与其它原料混合球磨)以无水乙醇作为球磨介质，用滚动球磨24h
后烘干得到干粉，将所得干粉在800～900℃保温预烧4～6h以进行铌酸盐化合物的合成，然
后在预烧好的粉料中加入浓度为8wt%的聚乙烯醇水溶液造粒，所述聚乙烯醇水溶液的用量
以满足造粒要求（颗粒流动性好，粒径为0.1mm左右）为限，造粒后用磨具压制成φ=10mm，d=
1mm的圆片并排粘合剂。最后在1100～1200℃烧结2～3h，烧结后的陶瓷片被上银电极并放
入25～85℃的硅油中，在3～4kv/mm的电压下极化10～20min，极化完成后，将所述陶瓷片从
硅油中取出，在空气中静置24h后，采用IEEE标准测量所得无铅压电陶瓷的电学性能。
要说明的是，本发明的创新之处在于组分的有效组合，提供一种新的无铅压电材
料化学组合物，其制备方法并不是本申请所请求保护的技术内容，只要采用本发明给出的
通式制成的无铅压电材料，不管是采用哪种制备方法，均是本发明的保护范围。
本发明无铅压电材料经试验测试，具有很好的压电性能，以实施例1-5为例，当x为
0.015时获得最佳性能，其中压电常数约295pC/N，kp约为31%～45%，有效降低四方-正交相
变温度，在室温构建新型相界，从而提高陶瓷的电学性能，满足实际中压电材料的需要，见
表1。
表1：铌酸钾钠基无铅压电陶瓷(1-x)(0.96K0.48Na0.52NbO3–0.04Bi0.5K0.5ZrO3)–
xBaZrO3的电学性能
x
d33(pC/N)
kp(%)
tanδ(室温,10kHz)
εr(室温,10kHz)
0
175
31
0.022
1189
0.010
205
32
0.021
1585
0.015
295
41
0.032
1835
0.020
272
36
0.035
1579
本发明提供的无铅压电陶瓷不含价格昂贵的钽元素，所用原料价格低廉，因而节约成
本，有利于促进实用化进程，在工业生产中应用，本发明无铅压电陶瓷可以采用工业原料经
传统陶瓷制备技术获得，工艺简单稳定，具有很好的实际应用价值和商业价值，经济和社会
效益显著。