專利名稱：B位復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物組成的無(wú)鉛壓電陶瓷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電陶瓷材料，具體是B位復(fù)合鈣鈦 礦結(jié)構(gòu)化合物組成的無(wú)鉛壓電陶
ο
背景技術(shù)：
壓電陶瓷應(yīng)用廣泛于換能器、微位移器、傳感器、諧振器及濾波器等領(lǐng)域，是一種不可或缺的高技術(shù)新材料之一。目前，全球在大量使用的壓電陶瓷是傳統(tǒng)的含鉛壓電陶瓷 (如鋯鈦酸鉛PZT)，這些材料中氧化鉛含量約占60%以上。由于鉛的易揮發(fā)性，在生產(chǎn)、制備、使用及廢棄處理中都會(huì)對(duì)空氣、水源、環(huán)境等造成極大的污染。鉛中毒造成的危害極大， 尤其是對(duì)兒童的智力造成很大損傷。隨著環(huán)保意識(shí)的日益深入，國(guó)際上正積極通過(guò)法律、法規(guī)、政府指令等形式對(duì)含鉛的電子產(chǎn)品加以禁止。因此開(kāi)發(fā)綠色環(huán)保型壓電陶瓷成為目前研究的熱點(diǎn)。目前研究的無(wú)鉛壓電陶瓷體系中，鈦酸鉍鈉(Nav2Bil72)TiO3 (簡(jiǎn)稱NBT)和鈮酸鉀鈉(Ka5Naa5NbO3, KNN)系壓電陶瓷被認(rèn)為是最有前途替代PZT的無(wú)鉛壓電材料。很多學(xué)者對(duì)這兩個(gè)體系的壓電陶瓷的A、B位取代，摻雜改性、制備方法與工藝改性做了大量工作，但其理論研究和技術(shù)問(wèn)題等距離實(shí)際應(yīng)用還有很大差距。因此還需開(kāi)發(fā)新的實(shí)用性環(huán)保型壓電陶瓷材料體系。由于Bi在元素周期表上與Pb相鄰，具有相同的電子分布、相近的離子半徑和分子量，因此，Bi基鐵電體被認(rèn)為具有良好的壓電性能。同時(shí)，B位復(fù)合離子取代的PZT基壓電陶瓷如Pb (Ti, Zr) O3-Pb (Mgl73Nb273) O3具有優(yōu)良的壓電性能。因此，新型B位復(fù)合Bi基鐵電化合物也具有類似PZT基陶瓷優(yōu)良的壓電性能。因此，本專利提出來(lái)一種B位復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Bi (Lil73Me273) O3基無(wú)鉛壓電陶瓷。但現(xiàn)有文獻(xiàn)還未有B位復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)Bi (Lil73Me273) O3基無(wú)鉛壓電陶瓷的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供高性能、實(shí)用性、易于制備的新型B位復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物組成的無(wú)鉛壓電陶瓷及其制備方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是B位復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷分別用下述通式
(l-z)Bi (Lil73Me273) O3-^BaTi03+^Ma0b ； (l-x)Bi (Lil73Me273) 03~x (Na1/2Bi1/2) TiO3 +zMa0h ； (l-x-y) Bi (Lil73Me273) O3-XBaTiO3-^ (Na1/2Bi1/2) Ti03+^Ma0b ； (l-x-y) Bi (Lil73Me273) O3-XBaTiO3-J^ (K1/2Bi1/2) Ti03+^Ma0b ；
(l-x-j--F)Bi (Lil73Me273) O3 - ZBaTiO3-J (Na1/2Bi1/2) TiO3-K(K1/2Bi1/2) Ti03+zMa0b 來(lái)表示， 其中x、_F、z和r表示摩爾分?jǐn)?shù)，0<χ<1·0，0〈,<1，0<Κ1，0彡乂 0. l，Me為四價(jià)金屬元素， MaOb為一種或多種氧化物，其中M為+Γ+6價(jià)且能與氧形成固態(tài)氧化物的元素。四價(jià)元素Me為Ti、&、Hf、Sn和Mn中的一種或多種；一種或多種氧化物MaOb的M選自 La、Sm、Mn、Ce、Nd、Pm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Ge、Sc、In、Y、Lu、Al、Cu、Li、Na、 K、Ca、Sr、Mg、Zn、Ni、A g、Mn、Fe、Co、Cr 和 Sn 中的一種或幾種。本發(fā)明的B位復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷具有優(yōu)良的壓電性能，其壓電常數(shù)^3 可達(dá)220 pC/N以上，機(jī)電耦合系數(shù)先可達(dá)0.4以上。可采用電子陶瓷制備技術(shù)與常規(guī)工業(yè)原料制備，工藝穩(wěn)定性好，無(wú)需添加任何新設(shè)備即可在電子材料廠家實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，具有實(shí)用性。
具體實(shí)施例方式通過(guò)下面給出的實(shí)施例，可以進(jìn)一步清楚的了解本發(fā)明的內(nèi)容，但它們不是對(duì)本發(fā)明的限定。實(shí)施例1
制備成分為(1-廣廣》Bi (Lil73Me273)O3-XBaTiO3-^(Nal72Bil72)TiO3-F(Kl72Bil72)TiO3 +ZMaOb，其中 x=0. 05，尸0· 78，F(xiàn)=O. 12，z=0. 01 ；Me=90%Ti+10%Zr, M=Ce+La 的 B 位復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物組成的無(wú)鉛壓電陶瓷制備方法包括如下步驟
以分析純 Bi203、Na2C03、BaCO3> K2CO3> Li2C03、ZrO, CeO2, La2O3 和 TiO2 為原料，分別按照以下化學(xué)式
{Ι-χ-y-v) Bi (Li1/3 Ti 2/3) O3-XBaTiO3-J^ (Na1/2Bi1/2) TiO3 -κ (K1/2Bi1/2) TiO3 (La203+Ce02)(其中 . 05，尸0· 78，v=0. 12,z=0. 01)
準(zhǔn)確稱量后，以無(wú)水乙醇為球磨介質(zhì)球磨12 h，干燥后，900 °C下保溫2 h合成，合成后的粉料烘干破碎過(guò)篩造粒后加入3 % WPVA溶液作為粘結(jié)劑，在100 MPa的壓力下壓制成直徑Φ18 _，厚1 1. 5 _的圓坯，慢速升溫(3 V /min)至600 °C保溫2 h排膠，然后以200 V /h的升溫速度，在1150 °C下燒結(jié)保溫2 h，樣品磨光后披銀電極，在60 80 V 的硅油內(nèi)極化，極化電壓為3 4 kv/mm，極化時(shí)間為15 min。極化后的樣品放置24 h再測(cè)試其性能。性能測(cè)量結(jié)果如下_
權(quán)利要求
1.一種B位復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物組成的無(wú)鉛壓電陶瓷，其特征是組成通式為 (l-x)Bi (Lil73Me273) 03-xBaTi03+^Ma0b,式中Me為一種或多種四價(jià)金屬元素；MaOb為一種或多種氧化物，其中M為+廣+6價(jià)且能與氧形成固態(tài)氧化物的元素#和ζ表示陶瓷體系中摩爾含量，其中0CK1. 0，O^z^O. 1，用常規(guī)電子陶瓷制備方法制成。
2.一種B位復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物組成的無(wú)鉛壓電陶瓷，其特征是組成通式為(Ii) Bi (Lil73Me273)O3-X (Nai/2Bi1/2)Ti03+zMa0b，式中 Me 為一種或多種四價(jià)金屬元素；MaOb 為一種或多種氧化物，其中M為+廣+6價(jià)且能與氧形成固態(tài)氧化物的元素#和ζ表示陶瓷體系中摩爾含量，其中0CK1. 0，O^z^O. 1，用常規(guī)電子陶瓷制備方法制成。
3.一種B位復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物組成的無(wú)鉛壓電陶瓷，其特征是組成通式為 (I-U) Bi (Lil73Me273) O3-XBaTiO3-J^(Nal72Bil72) TiO3 +zMa0b，式中 Me 為一種或多種四價(jià)金屬元素；Ma0b為一種或多種氧化物，其中M為+廣+6價(jià)且能與氧形成固態(tài)氧化物的元素#、 7和^表示陶瓷體系中摩爾含量，其中0CK1. 0，0< <1.0,0^^^0. Ι,χ+ _K1，用常規(guī)電子陶瓷制備方法制成。
4.一種B位復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物組成的無(wú)鉛壓電陶瓷，其特征是組成通式為 (I-H) Bi (Lil73Me273) O3-XBaTiO3-^ (Kl72Bil72) TiO3 +zMa0b，式中 Me 為一種或多種四價(jià)金屬元素；Ma0b為一種或多種氧化物，其中M為+廣+6價(jià)且能與氧形成固態(tài)氧化物的元素和ζ表示陶瓷體系中摩爾含量，其中0CK1. 0，0< J^ <1.0,0 ^ 0. 1, χ+ _K1，用常規(guī)電子陶瓷制備方法制成。
5.一種B位復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物組成的無(wú)鉛壓電陶瓷，其特征是組成通式為 {l-x-y-v) Bi (Lil73Me273) O3-^BaTiO3-J^ (Nal72Bi 1/2) TiO3-F (K1/2Bi1/2) Ti03+zMa0b，式中 Me 為一種或多種四價(jià)金屬元素；Ma0b為一種或多種氧化物，其中M為+廣+6價(jià)且能與氧形成固態(tài)氧化物的元素汪、_7和^表示陶瓷體系中摩爾含量，其中0<χ<1. 0，0<Κ1，0<Κ1，0彡ζ彡0. 1， X+ r <1，用常規(guī)電子陶瓷制備方法制成。
6.如權(quán)利要求1-5之一所述的無(wú)鉛壓電陶瓷，其特征是所述的四價(jià)元素為Ti、Zr、Hf、 Sn和Mn中的一種或多種。
7.如權(quán)利要求1-5之一所述的無(wú)鉛壓電陶瓷，其特征是所述的+廣+6價(jià)且能與氧形成固態(tài)氧化物的元素為 La、Sm、Mn、Ce、Nd、Pm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Ge、Sc、In、Y、 Lu、Al、Cu、Li、Na、K、Ca、Sr、Mg、Zn、Ni、Ag、Mn、Fe、Co、Cr 和 Sn 中的一種或幾種。
8.如權(quán)利要求1-7之一所述的無(wú)鉛壓電陶瓷的制備方法，包括濕磨、烘干、燒成瓷料、 第二次球磨、粘結(jié)壓成圓片、空氣中圓片燒結(jié)、砂磨、雙面披銀、極化，其特征是以無(wú)水乙醇為球磨介質(zhì)球磨12 h，干燥后，850-900 °C下保溫2 h合成，合成后的粉料烘干破碎過(guò)篩造粒后加入3 %的PVA溶液作為粘結(jié)劑，在100 MPa的壓力下壓制成圓坯，以3 °C /min慢速升溫至600 °C保溫2 h排膠，然后以200 V /h的升溫速度，在1120-1150 °C下燒結(jié)保溫2 h，樣品磨光后披銀電極，在60 80 V的硅油內(nèi)極化，極化電壓為3 4 kv/mm,極化時(shí)間為 15 min。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了B位復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物組成的無(wú)鉛壓電陶瓷，成分以通式(1-x)Bi(Li1/3Me2/3)O3-xBaTiO3+zMaOb；(1-x)Bi(Li1/3Me2/3)O3-x(Na1/2Bi1/2)TiO3+zMaOb；(1-x-y)Bi(Li1/3Me2/3)O3-xBaTiO3-y(Na1/2Bi1/2)TiO3+zMaOb；(1-x-y)Bi(Li1/3Me2/3)O3-xBaTiO3-y(Na1/2Bi1/2)TiO3+zMaOb或(1-x-y-v)i(Li1/3Me2/3)O3-xBaTiO3-y(Na1/2Bi1/2)TiO3-v(K1/2Bi1/2)TiO3+zMaOb來(lái)表示的無(wú)鉛壓陶瓷，其中x、y、z和v表示摩爾分?jǐn)?shù)，0<x<1.0，0<y<1，0<v<1，0≤z≤0.1，Me為一種或多種四價(jià)金屬元素，MaOb為一種或多種氧化物，其中M為+1~+6價(jià)且能與氧形成固態(tài)氧化物的元素。本發(fā)明無(wú)鉛壓電陶瓷具有非常良好的壓電、介電性能，與傳統(tǒng)鉛基壓電陶瓷相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，綠色環(huán)保，適應(yīng)環(huán)境保護(hù)要求。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102285794SQ20111016242
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者周昌榮, 周沁, 成鈞, 楊華斌, 袁昌來(lái), 陳國(guó)華 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)