【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压电陶瓷的，尤其是涉及一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法。
技术介绍
1、压电陶瓷材料能够实现将电能与机械能相互转换，并且具有制备工艺简单，生产成本低等特点，在换能器、传感器、致动器等领域得到广泛应用。目前，市面上大量使用的锆钛酸铅（pzt）压电陶瓷，其铅（pb）含量高达60%以上，在制造、使用及废弃物处理过程中，对人体健康以及生态环境都对产生不可逆的危害。因此，开发一种能够替代pzt的无铅压电陶瓷，近年来成为国际社会的研究热点。在无铅压电陶瓷体系中，铌酸钾钠(knn)基无铅压电陶瓷d33高达680pc/n，优于商用的pzt-5h压电陶瓷，是最有可能取代铅基压电陶瓷的体系之一。
2、公开号为cn115572166a的中国专利公开了采用实验室常用的行星式球磨法制备的(0.96-x)k0.48na0.52nb0.95sb0.05o3-x(bi0.5r0.5)0.9(li0.5ce0.5)0.1hfo3基压电陶瓷，d33＝535±20pc/n，机械品质因数qm＝34，平面机电耦合系数kp＝55%，介电损耗tanδ＝0.04，居里温度tc＝221℃；该方法中先后两次均采用无水乙醇为球磨介质。公开号为cn105198417b的中国专利公开了采用实验室常用的行星式球磨法制备的(l-x)k0.48na0.52nb0.95sb0.05o3-x(bi0.5na0.5)l-y(li0.5ce0.5)yzro3基压电陶瓷，其d33＝400~485pc/n，平面机电耦合系数kp＝42~52%；该方法虽未指出采用先后
3、上述压电陶瓷的制备均是在实验室条件下进行的，即生产规模小、配料精度高，而且不难看出，所有涉及球磨混合的过程使用的介质均为无水乙醇。而在工业生产中，使用无水乙醇除了导致生产成本高之外，还会导致生产过程中的安全隐患，需要增加额外的安防机制，以保护人防安全。目前，传统pzt陶瓷在生产制备过程中均采用的去离子水，生产成本低、安全系数高。因此，如何在生产knn基陶瓷过程中减少甚至避免无水乙醇的使用，以及实现其批量化可控制备，是实现knn基陶瓷取代pzt陶瓷的基本前提。
4、公开号为cn113666744a的中国专利公开了通过流延的方法制备具有成分梯度的knn基无铅压电陶瓷，其d33为300~340pc/n。公开号为cn114262228a的中国专利公开了在knn体系中添加sb和(bi0.5na0.5)zro3，d33提升到了455pc/n，其通常通过调控烧结工艺或元素掺杂来形成氧空位，从而钉扎畴壁，抑制畴壁运动，提高压电陶瓷的qm。但是氧空位的形成会导致高温电导升高，d33下降，如公开号为cn114276138a的中国专利公开了热压烧结结合退火工艺调控knn压电陶瓷中的氧空位浓度，从而对压电陶瓷进行硬化调控，其qm=250~280，d33低于150pc/n。授权公告号为cn100408509c的中国专利公开了在knn体系中添加cuo，材料的qm在100~1600之间可调，d33在90~120之间。授权公告号为cn106588007b的中国专利公开了在knn体系中，公开了一类化学式为0.956(0.988-x)(k0.37na0.63)0.86ca0.04li0.02nb0.85o3-0.044(0.988-x)k0.85ti0.85nb1.15o5-xbasno3-ymno-zceo无铅压电陶瓷，此类材料的qm在112~137之间，d33小于264pc/n。
5、普通烧结工艺制备的纯knn陶瓷的d33仅为80pc/n左右，无法满足水声换能器的使用要求。通过元素掺杂、改性，近年来knn基压电陶瓷的压电性能得到飞速提升，最高可达550pc/n。此外，压电性能提升的同时，其居里温度也急剧下降，从而限制了该压电材料在装备与使用过程的温度应用范围。又由于knn基陶瓷中元素特性（k/na易溶于水，需用有机溶剂作为混料介质），导致其采用常规工业化制备较为困难。
6、综上所述，目前knn基压电陶瓷已经在传统民用领域得到应用，表明该材料具有实用价值，但制备方法仍停留在实验室生产方法阶段，其生产效率低，性能一致性差，并且由于生产方法的限制，导致每次只能产出低于100g的原料。此外，由于实验室仍采用手工对粉料增塑、造粒的方法，导致粉料流动性差，无法成型更大尺寸的压电元件。另外，通过采用有机溶剂的流延成型法，knn基压电陶瓷也在一些声电器件、如蜂鸣器、雾化器等小型家电中得到使用。但是该方法中大量有机溶剂的使用，不仅对人体有害，还导致陶瓷元件的致密度较低，无法满足大功率发射换能器的使用，有待改进。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的问题是针对现有技术中所存在的上述不足而提供一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，其提高knn基压电陶瓷的致密度和压电常数等压电性能、具有良好流动性与塑性、降低生产隐患、适用于大批量生产的优点。
2、本专利技术的上述专利技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
3、一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，包括以下步骤，
4、s1将原料na2co3、k2co3、li2co3、nb2o5、sb2o3、baco3、zro2、bi2o3、mno2，按化学计量通式0.94(k0.48na0.50li0.02)(nb0.95sb0.05)o3-0.03bazro3-0.02bi0.5na0.5zro3+0.5mol%mno2称重后，依次经过湿法球磨混料和烘干处理，得到球磨粉料；
5、s2在密闭环境中，所述球磨粉料进行高温合成反应，反应结束后经后处理，得到反应粉料；
6、s3将所述反应粉料经过湿法球磨后，加入粘结剂、分散剂和消泡剂，并充分搅拌混匀，再经喷雾干燥，得到压电陶瓷粉料；
7、s4将所述压电陶瓷粉料依次经过低压压制和等静水压成型处理，再经过高温排塑，得到成型坯体；
8、s5在密闭氧化空间中，将所述成型坯体进行高温烧结处理，烧结完成后经后处理，得到压电陶瓷瓷件；
9、s6将所述压电陶瓷瓷件加工成预定形状后，依次经过上电极和硅油极化处理，得到压电陶瓷元件。
10、进一步地，在所述s1中，湿法球磨采用滚筒式球磨机，球磨介质为锆球，液体介质为无水乙醇，原料预先经120~150℃烘干10~40h，原料、锆球和无水乙醇的重量比为1.0：3.0本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
2.根据权利要求1所述的一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，其特征在于：在所述S1中，湿法球磨采用滚筒式球磨机，球磨介质为锆球，液体介质为无水乙醇，原料预先经120~150℃烘干10~40h，原料、锆球和无水乙醇的重量比为1.0：3.0~4.0：1.5~2.5，球磨时间为10~30h，烘干温度为80~90℃，烘干时间为5~10h。
3.根据权利要求1所述的一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，其特征在于：在所述S2中，高温合成反应先在600~700℃下反应0.5~2.0h，再升温至820~880℃反应2.0~4.0h，反应结束后，粉碎筛分，得到反应粉料。
4.根据权利要求1所述的一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，其特征在于：在所述S3中，湿法球磨采用搅拌式球磨机，球磨介质为锆球，液体介质为去离子水，反应粉料、锆球和去离子水的重量比为1.0：3.0~4.0：1.2~1.8，球磨时间为2~8h，球磨转速为50~150r/min，出浆的
5.根据权利要求1所述的一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，其特征在于：在所述S3中，粘结剂为7wt%的PVA溶液，分散剂为Hydrodisper A160，消泡剂为正辛醇；每30kg球磨浆料中，加入粘结剂4000~5000mL、分散剂180~230mL、消泡剂10~15mL。
6.根据权利要求1所述的一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，其特征在于：在所述S4中，低压压制的压力为0.9~1.2T/cm2、时间为10~30s，等静水压成型的压力为160~200MPa、时间为25~35s，高温排塑的温度为750~850℃、时间为2~5h，成型坯件的尺寸为Ф33´4.5~5.0mm。
7.根据权利要求1所述的一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，其特征在于：在所述S5中，密闭氧化空间中布置有多个成型坯体，这些成型坯件填充密闭烧结空间的比例为30~50%，且这些成型坯体和密闭氧化空间的表面之间均匀铺设有压电陶瓷粉料。
8.根据权利要求1所述的一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，其特征在于：在所述S5中，高温烧结的温度为1050~1140℃、时间为2~4h。
9.根据权利要求1所述的一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，其特征在于：在所述S6中，将压电陶瓷瓷件加工成Ф25´2.0mm的尺寸后，采用丝网印刷工艺在压电陶瓷瓷件的两侧表面印刷银电极，银电极烘干后置于加热炉中，升温至700~800℃并保温25~35min，随后自然冷却至室温，完成上电极过程。
10.根据权利要求1所述的一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，其特征在于：在所述S6中，将经过上电极的压电陶瓷元件置于60~120℃的硅油中，施加2.5~3.5kv/mm的直流电场，并保持10~20min，进行极化，极化完成后，清洗去除压电陶瓷元件表面硅油。
...【技术特征摘要】
1.一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
2.根据权利要求1所述的一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，其特征在于：在所述s1中，湿法球磨采用滚筒式球磨机，球磨介质为锆球，液体介质为无水乙醇，原料预先经120~150℃烘干10~40h，原料、锆球和无水乙醇的重量比为1.0：3.0~4.0：1.5~2.5，球磨时间为10~30h，烘干温度为80~90℃，烘干时间为5~10h。
3.根据权利要求1所述的一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，其特征在于：在所述s2中，高温合成反应先在600~700℃下反应0.5~2.0h，再升温至820~880℃反应2.0~4.0h，反应结束后，粉碎筛分，得到反应粉料。
4.根据权利要求1所述的一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，其特征在于：在所述s3中，湿法球磨采用搅拌式球磨机，球磨介质为锆球，液体介质为去离子水，反应粉料、锆球和去离子水的重量比为1.0：3.0~4.0：1.2~1.8，球磨时间为2~8h，球磨转速为50~150r/min，出浆的球磨浆料直径为d50=0.8~2.0μm。
5.根据权利要求1所述的一种铌酸钾钠基压电陶瓷元件的工业化合成制备方法，其特征在于：在所述s3中，粘结剂为7wt%的pva溶液，分散剂为hydrodisper a160，消泡剂为正辛醇；每30kg球磨浆料中，加入粘结剂4000~5000ml、分散剂180~230ml、消泡剂10~15ml。
<...【专利技术属性】
技术研发人员：项光磊，乔治，赵世言，汪跃群，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：
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