專利名稱：B位復(fù)合Ba (Li<sub>1/4</sub>Me<sub>3/4</sub>)O<sub>3</sub>基無鉛壓電陶瓷及其制備方法
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Ba (Lil74Me374) O3基無鉛壓電陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷作為一類重要的信息功能材料，近年來發(fā)展甚為迅速，應(yīng)用日趨廣泛，已深入到移動(dòng)通信、自動(dòng)控制、儀器儀表等國民經(jīng)濟(jì)及航空、航天、航海、兵器等尖端國防技術(shù)各個(gè)部門之中，成為不可或缺的該技術(shù)新材料之一。半個(gè)多世紀(jì)以來，鋯鈦酸鉛固溶體在研究和應(yīng)用方面一直占據(jù)壓電陶瓷的主導(dǎo)地位。但由于鋯鈦酸鉛固溶體在制備過程中存在PbO的揮發(fā)，不僅造成陶瓷中的化學(xué)計(jì)量比的偏離，使產(chǎn)品的一致性和重復(fù)性降低，而且 PbO的揮發(fā)造成了對(duì)環(huán)境的污染。因此，探索無鉛化壓電陶瓷，研究環(huán)境協(xié)調(diào)性好的壓電材料及其制品是電子元件行業(yè)的緊迫任務(wù)。目前，可選擇的無鉛壓電陶瓷種類很多，基本上劃分為五大體系=BaTiO3基無鉛壓電陶瓷、(Nav2Biv2)TiO3基無鉛壓電陶瓷、鉍層狀結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷、鈮酸鉀鈉鋰((K，Na, Li)NbO3)系無鉛壓電陶瓷以及鎢青銅結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷。然而，目前報(bào)導(dǎo)的無鉛壓電陶瓷的壓電性能與鉛基壓電陶瓷相比還有很大差距，因此，研究高性能新型無鉛壓電陶瓷具有非常重要意義。雖然研究者對(duì)這些無鉛陶瓷的改性做了大量研究工作，但距離實(shí)際應(yīng)用還有很大差距。通過分析鉛基壓電陶瓷的改性經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)B位復(fù)合離子取代的PZT基壓電陶瓷如Pb(Ti，Zr)03- ？！^⑶ 種^愧具有優(yōu)良的壓電性能。因此本發(fā)明提出一種新型綠色環(huán)保B位復(fù)合Ba (Liv4Mev4)O3基無鉛壓電陶瓷。另外，壓電陶瓷只有通過高壓極化，使材料內(nèi)電疇沿電場(chǎng)方向的排列的程度越高，壓電性能才能發(fā)揮出來。極化程度越高，壓電性能越好。因此本發(fā)明提出來一種多重強(qiáng)化極化的壓電陶瓷制備方法。現(xiàn)有文獻(xiàn)還未有報(bào)道B位復(fù)合Ba (Lil74Me374)O3基無鉛壓電陶瓷及制備方法的報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供綠色環(huán)保，易于制備，壓電性能優(yōu)良、能夠部分取代現(xiàn)有鉛基壓電陶瓷的B位復(fù)合Ba (Lil74Me374)O3基無鉛壓電陶瓷及其制備方法。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)問題
B位復(fù)合Ba (1^/^63/4)03基無鉛壓電陶瓷，其特征在于組成通式為 (1-x) Ba (Lil74Me374) 03-χ (Na1/2Bi1/2) Ti03+^Ma0b> (1-x) Ba (Lil74Me374) 03-χ (K1/2Bi1/2) TiO3 +^MaOb、 (l-χ-χ) Ba (Lil74Me374) O3-XBaTiO3-J^ (Na1/2Bi1/2) Ti03+^Ma0b > (l-χ-χ) Bi(Lil73Me273)O3 -χ BaTiO3- (K1/2Bi1/2)Ti03+^Ma0b> (l-χ-χ-υ) Ba (Lil74Me374) O3- XBaTiO3-J^ (Na1/2Bi1/2) TiO3-" (K1/2Bi1/2) Ti03+^Ma0b 或 (l-jr-_FU)Ba(Li 1/4Me3/4) O3- xBaTi03-j^(Na1/2Bi1/2) TiO3-" (K1/2Bi 1/2)TiO3-F(Lil72Bil72)TiO3+
^MaOb 來表示，其中 χ、_7、 、κ 和ζ 表示摩爾分?jǐn)?shù)，0CK1. 0，0<,<1，0< u <1. 0,0<Κ1. 0, O^z ^ 0.2,Me為一種或多種五價(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。五價(jià)元素Me為Nb、Sb、Ta、W、Bi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、Ag、Mn、Fe、Co、Cr 和 Sn 中的一種或幾種。本發(fā)明所述的無鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于包括如下步驟
(1)將原料按照化學(xué)式(I-Z)Ba (Lil74Me374)O3-X (Nal72Bil72)Ti03+^Ma0b>
Ba (Lil74Me374) O3-X (K1/2Bi1/2) TiO3 +i Ma0b > {l~x~y) Ba (Lil74Me374) O3-XBaTiO3 -J- (Nal72Bil72) Ti03+zMa0b、(Ι-χ-χ) Bi (Li1/3Me2/3) O3 -χ BaTiO3- J^(Kl72Bil72)TiO3 +^MaOb> {l~x-y~u) Ba (Lil74Me374) O3- XBaTiO3-^(Nal72Bil72)TiO3-W(Kl72Bil72)TiO3 +z\<dh {\~x-y-u~v) Ba (Lil74Me374) O3- xBaTiO3-^ (Nal72Bi 1/2) TiO3-W (K172Bi 1/2) TiO3 ι (Li1/2Bi1/2) Ti03+zMa0b 進(jìn)行配料；
(2)以無水乙醇為介質(zhì)球磨12-24小時(shí)，干燥后在氧化鋁坩堝中以600-1000°C焙燒 2-5小時(shí)，焙燒后以無水乙醇為介質(zhì)球磨12-24小時(shí)，干燥后獲得粉末。加入5%(重量百分比)濃度的PVA溶液造粒，在50-200MPa壓力下壓制成型；成型后的素坯在常壓下燒結(jié)，燒結(jié)溫度950-1200° C，保溫時(shí)間2-5小時(shí)；
(3)燒結(jié)后的樣品加工成兩面光滑、厚度約Imm的薄片，披銀電極，然后在硅油中極化 首先第一步在低極化電場(chǎng)(2000-4000V/mm)，較高極化溫度(60-120° C)，極化時(shí)間5_30 分鐘。然后在高極化電場(chǎng)(4000-8000V/mm)，較低極化溫度(30-60° C)，極化時(shí)間15-30 分鐘。本發(fā)明的陶瓷組成是一種綠色環(huán)保型壓電陶瓷，壓電性能優(yōu)良，其壓電常數(shù)式3可達(dá)180pC/N以上，能實(shí)現(xiàn)對(duì)部分現(xiàn)有的鉛基壓電陶瓷的替代。本發(fā)明可采用傳統(tǒng)壓電陶瓷制備技術(shù)，原料從工業(yè)用原料中獲得，制備工藝簡單、穩(wěn)定，具有實(shí)用性。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
制備成分為(1-Z-7H) Ba (Lil74Me374) O3-XBaTiO3-J^ (Nal72Bil72) TiO3-W (K1/2Bi1/2) TiO3 -ν (Lil72Bil72) Ti03+i Ma0b，其中 ζ=0· 02，y=Q. 76，u=Q. 10，^0. 08，z=0. 012。Me=50% Sb +50% Nb, M=50%Sm+50%Pr.的 B 位復(fù)合 Ba (Li1/4Me3/4) O3 基無鉛壓電陶瓷制備方法包括如下步驟
以分析純 Bi203、Na2C03、BaC03、K2C03、Li2C03、Nb205、Sb203、Sm203、Pr2O3 和 TiO2 為原料，分別按照以下化學(xué)式
{\-x-y-u~v) Ba (Li1/4Me3/4) O3-ZBaTiO3-, (Na1/2Bi1/2) TiO3-" (K1/2Bi1/2) TiO3 ~v (Li1/2Bi1/2) TiO3+ ^MaOb
其 ψ x=0. 02, r=0. 76, u=0. 10, f=0. 08，ζ=0· 012。Me=50% Sb +50% Nb, M=50%Sm+50%Pr.進(jìn)行配料，以無水乙醇為介質(zhì) 球磨濕磨16小時(shí)，80 ！烘干后在950 °C保溫2小時(shí)分別
預(yù)合成瓷料。合成的瓷料以無水乙醇為介質(zhì)二次濕磨16小時(shí)，烘干后過100目篩，然后加5%濃度的PVA溶液作為粘結(jié)劑，在150 MPa壓力下壓制成素坯，成型后的素坯在常壓下采用常壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度1150° C，保溫時(shí)間5小時(shí)。燒結(jié)后的樣品加工成兩面光滑、厚度約Imm的薄片，披銀電極，然后在硅油中極化，首先在低極化電場(chǎng)(3000V/mm)，較高極化溫度(90° C)，極化時(shí)間20分鐘。然后在高極化電場(chǎng)(6000V/mm)，較低極化溫度(50° C)，極化時(shí)間15分鐘。保持電場(chǎng)冷卻至室溫后撤去電場(chǎng)，取出樣品。樣品按IRE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制成的壓電陶瓷進(jìn)行壓電性能測(cè)量
性能測(cè)量結(jié)果如下
權(quán)利要求
1.一種B位復(fù)合Ba (1^/^63/4)03基無鉛壓電陶瓷，其特征在于組成通式為(I-Z) Ba (Lil74Me374) O3-X (Nal72Bil72) Ti03+zMa0b，式中Me為一種或多種五價(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. 2，用常規(guī)陶瓷制備方法制成。
2.一種B位復(fù)合Ba (Lil74Me374)O3基無鉛壓電陶瓷，其特征在于組成通式為(Ii) Ba (Lil74Me374) 03-χ (Kl72Bil72) TiO3 +zMa0b，式中 Me 為一種或多種五價(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，O^z^O. 2，用常規(guī)陶瓷制備方法制成。
3.一種B位復(fù)合Ba (1^/^63/4)03基無鉛壓電陶瓷，其特征在于組成通式為(ln) Ba (Li1Z4Mev4)O3-ZBaTiO3-J(Nav2Biv2)TiC^ZMaOb,式中 Me 為一種或多種五價(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；n和ζ表示陶瓷體系中摩爾含量，其中0CK1. 0，0< 7 <1.0，0彡ζ彡0.2，χ+ 7 <1，用常規(guī)陶瓷制備方法制成。
4.一種B位復(fù)合Ba (1^/^63/4)03基無鉛壓電陶瓷，其特征在于組成通式為(ln) Bi(Lil73Me273)O3 -χ BaTiO3- _F(K1/2Bi1/2)Ti03+zMa0b，式中 Me 為一種或多種五價(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；n和ζ表示陶瓷體系中摩爾含量，其中0CK1. 0，0< 7 <1.0，0彡ζ彡0.2，χ+ 7 <1，用常規(guī)陶瓷制備方法制成。
5.一種B位復(fù)合Ba (!^/^ ^(^基無鉛壓電陶瓷，其特征在于組成通式為 (l-x-^-w)Ba (Lil74Me374) O3- XBaTiO3-J^ (Na1/2Bi1/2) TiO3-W (K1/2Bi1/2) Ti03+^Ma0b‘式中 Me 為一種或多種五價(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;1、_7和^表示陶瓷體系中摩爾含量，其中0<x<1.0，0<Kl，0< u <1， O^z ^ 0.2, χ+ y+ u <1，用常規(guī)陶瓷制備方法制成。
6.一種B位復(fù)合Ba (Liv4Mev4)O3基無鉛壓電陶瓷，其特征是組成通式為 {Ι-χ-y-u-v) Ba (Li1/4Me3/4) O3-JrBaTiO3-J (Na1/2Bi1/2) TiO3-W (K1/2Bi1/2) TiO3-K (Li1/2Bi1/2) Ti03+zMa0b，式中Me為一種或多種五價(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2表示陶瓷體系中摩爾含量，其中0<x<1.0， 0<K1，0< u <1,0<K1,0 ^ 0. 2, χ+ r+ u +ν <1，用常規(guī)陶瓷制備方法制成。
7.如權(quán)利要求1-6之一所述的B位復(fù)合Ba(Li1/4Me3/4) O3基無鉛壓電陶瓷，其特征是 所述的五價(jià)元素為Nb、Ta、Sb、W、Bi和Mn中的一種或幾種。
8.如權(quán)利要求1-6之一所述的B位復(fù)合Ba(Li1/4Me3/4) O3基無鉛壓電陶瓷，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 禾口 Sn中的一種或幾種。
9.權(quán)利要求1-6之一所述的B位復(fù)合Ba(Li1/4Me3/4) O3基無鉛壓電陶瓷的制備方法， 其特征在于包括如下步驟(1)將原料按照化學(xué)式(I-Z) Ba (Lil74Me374)O3-X (Nal72Bil72)Ti03+^Ma0b> Ba(Lil74Me374)O3-X(K1/2Bi1/2)Ti03+^Ma0b> {l~x~y) Ba (Lil74Me374)O3-XBaTiO3 -j'(Na1/2Bi1/2) Ti03+zMa0b、(l-x-y) Bi (Li1/3Me2/3) O3 -χ BaTiO3- J^(Kl72Bil72)TiO3 +zMa0h, {\-x~y~u)Ba (Lil74Me374) O3- ZBaTiO3-J (Na1/2Bi1/2) TiO3-" (K1/2Bi1/2) TiO3 +zMa0b 禾口 (1-工一_7_"-廠)Ba (Lil74Me374) O3- xBaT i O3-^ (Nal72B i 1/2) T i 03-y (K172B i 1/2) T i O3 -F(Li1/2Bi1/2) Ti03+^Ma0b 中的一種進(jìn)行配料；(2)以無水乙醇為介質(zhì)球磨12-24小時(shí)，干燥后在氧化鋁坩堝中以600-1000°C焙燒 2-5小時(shí)，焙燒后以無水乙醇為介質(zhì)球磨12-24小時(shí)，干燥后獲得粉末；加入重量百分比5% 濃度的PVA溶液造粒，在50-200MPa壓力下壓制成型；成型后的素坯在常壓下燒結(jié)，燒結(jié)溫度950-1200° C，保溫時(shí)間2-5小時(shí)；(3)燒結(jié)后的樣品加工成兩面光滑、厚度約Imm的薄片，披銀電極，然后在硅油中極化 先在低極化電場(chǎng)2000-4000V/mm，極化溫度60-120° C，極化時(shí)間5_30分鐘；然后在高極化電場(chǎng)4000-8000V/mm，極化溫度30-60° C，極化時(shí)間15-30分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了B位復(fù)合Ba(Li1/4Me3/4)O3基無鉛壓電陶瓷及其制備方法，成分以通式(1-x)Ba(Li1/4Me3/4)O3-x(Na1/2Bi1/2)TiO3+zMaOb；(1-x)Ba(Li1/4Me3/4)O3-x(K1/2Bi1/2)TiO3+zMaOb；(1-x-y)Ba(Li1/4Me3/4)O3-xBaTiO3-y(Na1/2Bi1/2)TiO3+zMaOb；(1-x-y)Bi(Li1/3Me2/3)O3–xBaTiO3-y(K1/2Bi1/2)TiO3+zMaOb；(1-x-y-u)Ba(Li1/4Me3/4)O3-xBaTiO3-y(Na1/2Bi1/2)TiO3-u(K1/2Bi1/2)TiO3+zMaOb或(1-x-y-u-v)Ba(Li1/4Me3/4)O3-xBaTiO3-y(Na1/2Bi1/2)TiO3-u(K1/2Bi1/2)TiO3-v(Li1/2Bi1/2)TiO3+zMaOb來表示，其中x、y、u、v和z表示摩爾分?jǐn)?shù)，0<x<1.0，0<y<1，0<u<1.0，0<v<1.0，0≤z≤0.2，Me為一種或多種五價(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)明的無鉛壓電陶瓷采用常規(guī)陶瓷制備工藝制備而成，采用多重強(qiáng)化極化工藝獲得優(yōu)良的壓電性能。本發(fā)明的陶瓷材料能采用普通的碳酸鹽或氧化物原料獲得，工藝簡單、穩(wěn)定，性能優(yōu)良，綠色環(huán)保。
文檔編號(hào)C04B35/462GK102285793SQ20111016242
公開日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, 袁昌來, 陳國華 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)