專利名稱：一種具有優(yōu)異壓電性能的材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電功能材料及其制備方法，屬于壓電陶瓷領(lǐng)域，尤其涉及一種具有優(yōu)異壓電性能的材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷在電子科學(xué)與技術(shù)中的應(yīng)用極為廣泛，包括電聲換能器，水聲換能器和超聲換能器等，以及其它傳感器和驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。市場巨大，是最重要的電子材料之一，已經(jīng)成為國防工業(yè)、民用工業(yè)以及日常生活中的重要功能材料。2011年，Richard E.Eitel[1]等提出了 Bi Ofe) O3-PbTiO3M料體系(其中ife+3是半徑相對較大的陽離子，如Sc、Y、Yb、In等)。文歡Japanese Journal of Applied PhysicsAQ, 5999 (2001)報(bào)道了 BiScO3-PbTiO3材料具有優(yōu)良的壓電、鐵電 等性能。在壓電換能器、傳感器和驅(qū)動(dòng)器等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，引起了國內(nèi)外學(xué)者的密切關(guān)注，然而除了 BiScO3-PbTiO3壓電材料之外，其它體系都不具備優(yōu)異的壓電性能，如 Bi (Nil72Til72) -PbTiO3 (i/33=260pC/N)[3], Bi (Mg374Wl74)O3-PbTiO3 ( /33= 150pC/N)[4]，Bi (Sc374Gal74) O3-PbTiO3 (i/33=124pC/N) [5]等體系。(Ii)Bi (Me)O3-XPbTiO3Ofe = Ni1/2Hf1/2, Ni1/2Zr1/2)以及以此為基底的各種摻雜，具有優(yōu)異的壓電性能，當(dāng)Me為Ni1Z2Hf 1/2時(shí)，壓電系數(shù) /33高達(dá)446pC/N ;當(dāng)於為Ni1/2Zr1/2，壓電系數(shù) /33高達(dá)415pC/N,超過了已經(jīng)報(bào)道的絕大多數(shù)壓電材料的性能。本發(fā)明參考文獻(xiàn):
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401[14] 682 (1999).近年來BiScO3-PbTiO3由于其優(yōu)異的壓電、鐵電等性能(壓電常數(shù)i/33=460pC/N)，一直受到廣泛關(guān)注，與鉛鉍基壓電材料有關(guān)的研究層出不窮[1]。另一方面，人們也在嘗試尋找新的鉍基壓電陶瓷材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于獲得一種具有高壓電性能的(1-Z) BiifeO3-XPbTiO3 (Mo =Ni1/2Hf1/2, Nil72Zrl72)以及以此為基底的材料，從而廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究與工業(yè)生產(chǎn)中。本發(fā)明采用傳統(tǒng)固相法即可制備(1-Z) Bi (Me) O3-XPbTiO3 (Me = Ni1/2Hf1/2,Nil72Zrl72)高性能壓電材料，合成工藝簡單，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。一種具有優(yōu)異壓電性能的材料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為(1-Z)BiifeO3-ZPbTiO3 ;其中，ife
=Ni1/2Hf1/2, Nil72Zrl72 ；0.5〈x〈l?！N具有優(yōu)異壓電性能的材料的制備方法，具體包括步驟如下:
(I)使用 Bi203、NiO、HfO2, ZrO2, PbO 以及 TiO2。按照(1-z)BiifeO3-ZPbTiO3(Ife =Ni1/2Hf1/2,Nil72Zrl72) (0.5<χ<1)稱取符合化學(xué)劑量比的 Bi203、Ni0、Hf02 或 Zr02、Pb0 與 Ti02。(2)將混合后的Bi203、Ni0、Hf02或Zr02、Pb0與TiO2粉末研磨均勻，研磨后的樣品在600至1000°C下煅燒f 10小時(shí)，然后取出壓片(厚度無特殊要求)，
(3)將上述步驟制成的壓片在800至1500°C溫度下燒結(jié)f 15小時(shí)，即可得到高壓電性能的材料。所述步驟2中，混合后的Bi203、Ni0、Hf02或ZrO2、PbO與TiO2粉末研磨至1500 2500目。進(jìn)一步的，所述步驟2中，混合后的Bi203、NiO、HfO2或Zr02、Pb0與TiO2粉末研磨至2000目。所述步驟(2)是將混合后的Bi203、Ni0、Hf02或Zr02、Pb0與TiO2粉末研磨均勻，研磨后的樣品在850°C下煅燒5或6小時(shí)，然后取出壓片。所述 步驟(3)是將上述步驟制成的壓片在110(Γ1250 溫度下燒結(jié)2小時(shí)，即可得到高壓電性能的材料。本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明專利制備成本低，合成工藝簡單，因而它具有更為寬廣的科學(xué)研究與實(shí)用價(jià)值。我們發(fā)現(xiàn)(Ii)Bi Clfe) O3-XPbTiO3 (0.5〈x〈l)，其中 ife 為 Ni1/2Hf1/2，Ni1/2Zr1/2,以及以此為基底的各種摻雜(如，Nb2O5, MnO2, SrCO3等)，是一種具有優(yōu)異壓電，鐵電等性能的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(ABO3)的壓電材料，當(dāng)ife為Ni1/2Hf1/2時(shí)，壓電系數(shù) /33高達(dá)446pC/N ;當(dāng)於為Ni1/2Zr1/2，壓電系數(shù) /33同樣高達(dá)415pC/N。該優(yōu)異的壓電性能超過了絕大部分已知壓電材料，此外，該類材料具有較低的生產(chǎn)成本，有望成為替代目前應(yīng)用廣泛的其他鉛基壓電材料[2]。(1-X)BiifeO3-XPbTiO3Clfe = Ni1/2Hf1/2，Ni1/2Zr1/2)體系具有優(yōu)異的壓電性能，超過了絕大部分已知的壓電材料，而且合成周期非常短，適合大規(guī)模生產(chǎn)，從而能夠廣泛地應(yīng)用在壓電材料的研究與生產(chǎn)中。


圖1 0.38Bi (Nil72Hfl72) O3-0.62PbTi03 的 x 射線衍射圖譜；
圖 2 0.38Bi (Nil72Hfl72) O3-0.62PbTi03 的掃描電鏡衍射圖譜；
圖 3 0.39Bi (Nil72Hfl72) O3-0.61PbTi03 的 x 射線衍射圖譜；
圖 4 0.40Bi (Nil72Zrl72) O3-0.60PbTi03 的 x 射線衍射圖譜；
圖 5 0.39Bi (Nil72Zrl72) O3-0.61PbTi03 的 x 射線衍射圖譜。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一:
利用此發(fā)明制備 0.38Bi (Nil72Hfl72) O3-0.62PbTi03。稱取 5.0000 克Pb0，3.1986 克Bi2O3,0.5127克NiO, 1.7890克TiO2和1.4449克HfO20在研缽中充分研磨，然后將粉體在850°C下煅燒6小時(shí)，隨爐冷卻至室溫后的樣品進(jìn)行壓片，將所得的片在1180°C下燒結(jié)2小時(shí)，即可得到致密的高壓電性能的陶瓷片樣品，壓電系數(shù)i/33=446pC/N，居里溫度7^29(TC。圖1與圖2為0.38Bi (Nil72Hfl72)O3-0.62PbTi03的x射線衍射圖譜與掃描電鏡衍射圖譜。實(shí)施例二:
利用此發(fā)明制備 0.39Bi (Nil72Hfl72) O3-0.61PbTi03。稱取 5.0000 克Pb0，3.3366 克Bi2O3,0.5349克Ni0，l.7890克TiO2和1.5073克Η 2。在研缽中充分研磨至1800目，然后將粉體在850°C下煅燒6小時(shí)，隨爐冷卻至室溫后的樣品進(jìn)行壓片，最后將所得的片在1210°C下燒結(jié)2小時(shí)，即可得到高壓電性能的陶瓷片樣品，壓電系數(shù)i/33=434pC/N，居里溫度4=275°C。圖 3 為 0.39Bi (Nil72Hfl72)O3-0.61PbTi03 的 x 射線衍射圖譜。實(shí)施例三:
利用此發(fā)明制備 0.30Bi (Nil72Hfl72) O3-0.70PbTi03。稱取 5.0000 克Pb0，2.2366 克Bi2O3,0.3585克NiO, 1.7890克TiO2和1.0104克HfO20在研缽中充分研磨，然后將粉體在600°C下煅燒10小時(shí)，隨爐冷卻至室溫后的樣品進(jìn)行壓片，將所得的片在1500°C下燒結(jié)I小時(shí)，即可得到致密的高壓電性能的陶瓷片樣品。實(shí)施例四:
利用此發(fā)明制備 0.20Bi (Nil72Hfl72) O3-0.80PbTi03。稱取 5.0000 克PbO，1.3047 克Bi2O3,
0.2091克Ni0，l.7890克TiO2和0.5894克Hf02。在研缽中充分研磨，然后將粉體在1000°C下煅燒I小時(shí)，隨爐冷卻至室溫后的樣品進(jìn)行壓片，將所得的片在800°C下燒結(jié)15小時(shí)，即可得到致密的高壓電性能的陶瓷片樣品。實(shí)施例五:
利用此發(fā)明合成 0.40Bi (Nil72Zrl72) O3-0.60PbTi03。稱取 5.0000 克Pb0，3.4792 克Bi2O3,
0.5577克NiO, 1.7890克TiO2和0.9201克ZrO20在研缽中充分研磨至2000目，然后將粉體在850°C下煅燒5小時(shí)，隨爐冷卻至室溫后的樣品進(jìn)行壓片，而后將所得的片在1130°C下燒結(jié)2小時(shí)，即可得到高壓電性能的陶瓷片樣品。壓電系數(shù)i/33=415pC/N，居里溫度4=287°C。圖 4 為 0.40Bi (Nil72Zrl72)O3-0.60PbTi03 的 x 射線衍射圖譜。實(shí)施例六:
利用此發(fā)明合成 0.39Bi (Nil72Zrl72) O3-0.61PbTi03。稱取 5.0000 克Pb0，3.3366 克Bi2O3,
0.5349克NiO, 1.7890克TiO2和0.8824克ZrO20在研缽中充分研磨2300目，然后將粉體在850°C下煅燒5小時(shí)，隨爐 冷卻至室溫后的樣品進(jìn)行壓片，隨后將所得的片在1120°C下燒結(jié)2小時(shí)，即可得到高壓電性能的陶瓷片樣品。壓電系數(shù)i/33=325pC/N，居里溫度7^30(TC。圖 5 為 0.39Bi (Nil72Zrl72)O3-0.61PbTi03 的 x 射線衍射圖譜。
權(quán)利要求
1.一種具有優(yōu)異壓電性能的材料，其特征在于:所述具有優(yōu)異壓電性能的材料其化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為(1-Z)BiifeO3-ZPbTiO3 ;其中，ife = Ni1/2Hf1/2，Ni1/2Zr1/2，0.5〈x〈l。
2.一種具有優(yōu)異壓電性能的材料的制備方法，其特征在于，具體包括步驟如下:(1)使用Bi2O3' Ni。、HfO2, ZrO2, PbO 以及 TiO2 為原料，按照(l-χ)BiifeO3-XPbTiO3 ;其中，ife = Nil72Hfl72,Nil72Zrl72，0.5〈χ〈1 ;稱取符合化學(xué)劑量比的 Bi203、Ni0、Hf02 或 Zr02、Pb0與 TiO2 ； (2)將混合后的Bi203、NiO,HfO2或Zr02、PbO與TiO2粉末研磨均勻，研磨后的樣品在600至1000°C下煅燒f 10小時(shí)，然后取出壓片(厚度無特殊要求)， (3)將上述步驟制成的壓片在800至1500°C溫度下燒結(jié)f15小時(shí)，即可得到高壓電性能的材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有優(yōu)異壓電性能的材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，混合后的Bi203、Ni0、Hf02*Zr02、Pb0與TiO2粉末研磨至1500 2500目。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有優(yōu)異壓電性能的材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，混合后的Bi2O3' NiO、HfO2或ZrO2、PbO與TiO2粉末研磨至2000目。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有優(yōu)異壓電性能的材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)是將混合后的Bi2 03、NiO, HfO2或Zr02、PbO與TiO2粉末研磨均勻，研磨后的樣品在850°C下煅燒5或6小時(shí)，然后取出壓片。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或5所述的具有優(yōu)異壓電性能的材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)是將上述步驟制成的壓片在110(Tl25(rC溫度下燒結(jié)2小時(shí)，即可得到高壓電性能的材料。
全文摘要
本發(fā)明一種具有優(yōu)異壓電性能的材料及其制備方法，屬于壓電陶瓷材料領(lǐng)域。本發(fā)明所述的具有優(yōu)異壓電性能的材料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)通式為(1-x)BiMeO3-xPbTiO3；其中，Me=Ni1/2Hf1/2，Ni1/2Zr1/2；0.5<x<1。制備方法為使用Bi2O3、NiO、HfO2、ZrO2、PbO以及TiO2。上述化學(xué)結(jié)構(gòu)通式稱取符合化學(xué)劑量比的Bi2O3、NiO、HfO2或ZrO2、PbO與TiO2，然后研磨均勻，研磨后的樣品在600至1000℃下煅燒1~10小時(shí)，然后取出壓片在800至1500℃溫度下燒結(jié)1~15小時(shí)，即可得到高壓電性能的材料。本發(fā)明專利制備成本低，合成工藝簡單，因而它具有更為寬廣的科學(xué)研究與實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C04B35/49GK103121841SQ20121052660
公開日2013年5月29日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者陳駿, 潘昭, 戎陽春, 樊龍龍, 鄧金俠, 于然波, 邢獻(xiàn)然 申請人:北京科技大學(xué)