本發(fā)明涉及一種織構(gòu)化壓電陶瓷材料及其制備方法，屬于無鉛壓電材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
壓電陶瓷作為傳感器、制動(dòng)器和變頻器被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)控、通訊、信息系統(tǒng)及醫(yī)療器械等領(lǐng)域。目前廣泛應(yīng)用的壓電材料主要是具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的PZT(PbZrO3-PbTiO3)和PT(PbTiO3)材料。隨著人們對環(huán)境保護(hù)意識的日益提高，很多國家和地區(qū)對電子器件的含鉛量控制愈發(fā)嚴(yán)格，并且已經(jīng)提出了無鉛化的日程表，這就需要開發(fā)能替代PZT(PbZrO3-PbTiO3)和PT(PbTiO3)的無鉛壓電陶瓷材料。目前，無鉛壓電材料體系主要包括KNN(Ka0.5Na0.5NbO3)，BNT(Na0.5Bi0.5TiO3)，BT(BaTiO3)以及高溫鉍層狀陶瓷材料體系。Jaffe等人發(fā)現(xiàn)Pb(Zr,Ti)O3(PZT)陶瓷在一個(gè)狹窄的成分區(qū)表現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)性能，這個(gè)區(qū)域是四方相區(qū)與菱方相區(qū)的分界線，而被命名為準(zhǔn)同型相界(MPB)。將這個(gè)概念引入無鉛壓電領(lǐng)域，由此發(fā)現(xiàn)了一系列的具有高壓電性能的復(fù)合陶瓷材料。但是，該材料體系的壓電性能沒有得到根本性的提高。近年來研究表明，壓電陶瓷中的晶粒沿某一方向取向生長后(晶粒中晶軸沿一定方向排列的陶瓷稱為“晶粒取向”或“織構(gòu)化”)，其性能可以比晶粒自由生長陶瓷的性能大幅度提高，可以達(dá)到晶粒自由生長陶瓷的2倍左右，是同組分單晶性能的60％～80％，并且具有制備時(shí)間短、成本低的優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“窮人的單晶”。近年來被廣泛應(yīng)用的壓電陶瓷晶粒取向生長技術(shù)主要包括定向凝固技術(shù)、多層晶粒生長技術(shù)、模板晶粒生長技術(shù)和反應(yīng)模板晶粒生長技術(shù)。其中模板晶粒生長技術(shù)(TGG)和反應(yīng)模板晶粒生長技術(shù)(RTGG)制備的樣品取向度高，被廣泛應(yīng)用于制備取向生長的壓電陶瓷。傳統(tǒng)的模板晶粒生長技術(shù)主要是通過流延成型的工藝實(shí)現(xiàn)，其主要缺點(diǎn)是流延漿料的混料時(shí)間長，不利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的一個(gè)目的是在于提供一種具有300℃以上居里溫度，且壓電性能良好的無鉛型高織構(gòu)化的壓電陶瓷材料。本發(fā)明的另一個(gè)目的是在于提供一種操作簡單、成本低、適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)制備所述的織構(gòu)化織構(gòu)化壓電陶瓷材料的方法。本發(fā)明提供了一種織構(gòu)化壓電陶瓷材料，該織構(gòu)化壓電陶瓷材料是由模板材料晶體和基體材料復(fù)合構(gòu)成，具有001取向的Bi4Ti3O12、Na0.5Bi4.5Ti4O15或Na0.5Bi0.5TiO3模板材料晶體在基體材料中形成定向排列；所述的基體材料具有以下化學(xué)表達(dá)式：(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3—xBaTiO3，x為0.03～0.09；所述的模板材料為基料質(zhì)量的1％～30％。優(yōu)選的織構(gòu)化壓電陶瓷材料中模板材料為基體材料質(zhì)量的5％～15％。優(yōu)選的織構(gòu)化壓電陶瓷材料中化學(xué)表達(dá)式中x為0.05～0.07。本發(fā)明還提供了一種所述的織構(gòu)化壓電陶瓷材料的制備方法，該制備方法包括以下步驟：步驟一：制備模板材料晶體和基體材料薄片1)、通過熔鹽法合成具有001晶體結(jié)構(gòu)的Bi4Ti3O12、Na0.5Bi4.5Ti4O15或Na0.5Bi0.5TiO3模板材料；2)、通過固相反應(yīng)法、水熱法、熔鹽法或溶膠凝膠法制備(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3—xBaTiO3基體材料粉體，再將所得基體材料粉體依次經(jīng)過粘塑性加工工藝和壓延工藝處理，得到厚度不大于100μm基體材料薄片；步驟二：制備織構(gòu)化壓電陶瓷材料坯體將步驟一制得的模板材料晶體分散到有機(jī)溶劑中配制成漿料，所得漿料通過涂刷方式涂覆到步驟一所得的基體材料薄片表面在基體材料薄片表面形成一層具有定向排列的模板材料晶體層；再將多塊涂刷有模板材料晶體層的基體材料薄片疊加、熱壓成型，得到織構(gòu)化壓電陶瓷材料坯體；步驟三：制備織構(gòu)化壓電陶瓷材料將步驟二所得織構(gòu)化壓電陶瓷材料坯體通過升溫排膠，等靜壓燒結(jié)，制得織構(gòu)化壓電陶瓷材料。本發(fā)明的織構(gòu)化壓電陶瓷材料的制備方法還包括以下優(yōu)選方案：優(yōu)選的制備方法中通過熔鹽法制備具有001晶體結(jié)構(gòu)的Bi4Ti3O12模板材料過程為：將Bi2O3和TiO2粉體與熔鹽通過濕式球磨混合、烘干后，置于850～1150℃高溫下，保溫0.5～6小時(shí)，所得產(chǎn)物經(jīng)水洗，烘干，即得。優(yōu)選的制備方法中通過熔鹽法制備具有001晶體結(jié)構(gòu)的Na0.5Bi4.5Ti4O15模板材料過程為：將Na2CO3、TiO2粉體、具有001晶體結(jié)構(gòu)的Bi4Ti3O12模板材料與熔鹽通過濕式球磨混合、烘干后，置于800～1100℃高溫下，保溫1～8小時(shí)，所得產(chǎn)物經(jīng)水洗，烘干，即得。優(yōu)選的制備方法中通過熔鹽法制備具有001晶體結(jié)構(gòu)的Na0.5Bi0.5TiO3模板材料過程為：將Na2CO3、TiO2粉體、具有001晶體結(jié)構(gòu)的Na0.5Bi4.5Ti4O15模板材料與熔鹽通過濕式球磨混合、烘干后，置于800～1100℃高溫下，保溫1～10小時(shí)，所得產(chǎn)物經(jīng)水洗，烘干，即得。優(yōu)選的制備方法中熔鹽為NaCl和/或KCl；最優(yōu)選為NaCl。優(yōu)選的制備方法中濕式球磨采用的溶劑為無水乙醇。優(yōu)選的制備方法中步驟二中采用刮刀或毛刷在涂刷過程中對漿料中的模板材料晶體施加一個(gè)剪切力，使模板材料晶體在基體材料薄片表面呈定向排列。優(yōu)選的制備方法中熱壓成型是在基體材料薄片疊加垂直方向施加一個(gè)1～30MPa的壓力，在40～100℃溫度下進(jìn)行壓制。最優(yōu)選為在基體材料薄片疊加垂直方向施加一個(gè)5～10MPa的壓力，在60～80℃溫度下進(jìn)行壓制。優(yōu)選的制備方法中的燒結(jié)溫度為1050～1250℃，時(shí)間為1～50h。最優(yōu)選為在1150～1175℃，燒結(jié)20～50h。優(yōu)選的制備方法中采用的Bi2O3、TiO2、Na2CO3、BaCO3、NaCl和KCl等原料都為市售的分析純原料。優(yōu)選的制備方法中步驟一中采用的有機(jī)溶劑為乙醇。優(yōu)選的制備方法中將多塊基體材料薄片疊加前，將基體材料薄片切成適當(dāng)大小。優(yōu)選的制備方法中排膠溫度為500～700℃；最優(yōu)選為580～620℃。本發(fā)明的涂刷有模板材料晶體層的基體材料薄片進(jìn)行疊加時(shí)，根據(jù)所需厚度選擇合適的薄片塊數(shù)。將一定數(shù)量的涂刷有模板材料晶體層的基體材料薄片疊加到一定的高度，然后放入模具中，并且在模具外套上一個(gè)可以調(diào)控溫度的加熱裝置，然后將這個(gè)加有加熱裝置的模具至于單軸壓片機(jī)下，加熱、再保溫加壓，使薄片與薄片之間粘結(jié)在一起形成結(jié)構(gòu)致密的織構(gòu)化壓電陶瓷材料坯體。所述的(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3—xBaTiO3基體材料的制備方法優(yōu)選為固相反應(yīng)法。所述的固相法為：將Na2CO3、Bi2O3和TiO2粉體原料通過球磨分散在有機(jī)溶劑中得到漿料，所得漿料烘干，預(yù)燒，進(jìn)行二次球磨，進(jìn)一步烘干、研磨，即得。所述預(yù)燒溫度為750～950℃，預(yù)燒時(shí)間為2～4h；優(yōu)選的預(yù)燒溫度為840～860℃、預(yù)燒時(shí)間為1～3h。所述的球磨和二次球磨的時(shí)間均為24h。優(yōu)選的制備方法中制得的織構(gòu)化壓電陶瓷材料在不大于50mm的厚度范圍可控。本發(fā)明的有益效果：a)本發(fā)明的織構(gòu)化壓電陶瓷材料的制備方法操作簡單、生產(chǎn)成本低，適合大批量的工業(yè)化生產(chǎn)；b)制得的織構(gòu)化壓電陶瓷材料中(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3—xBaTiO3陶瓷晶粒都沿一定方向生長，改變了普通燒結(jié)陶瓷晶粒物的取向性的不足，使陶瓷在性能上接近單晶所具有的性能；c)制得的織構(gòu)化壓電陶瓷材料，織構(gòu)度高達(dá)94％，居里溫度為300℃以上，電致應(yīng)變性能可達(dá)0.5％(60kV/cm)，約合動(dòng)態(tài)壓電系數(shù)為537pm/V。d)本發(fā)明制得的織構(gòu)化壓電陶瓷材料在壓電傳感器、壓電電動(dòng)機(jī)以及高精度位移控制等方面有很好的應(yīng)用前景，推進(jìn)了高電致應(yīng)變材料的應(yīng)用進(jìn)展。附圖說明【圖1】為實(shí)施例1制得的Bi4Ti3O12模板材料的掃描電鏡圖?！緢D2】為實(shí)施例1制得的Bi4Ti3O12模板材料的XRD圖?！緢D3】為實(shí)施例2制得的Na0.5Bi4.5Ti4O15模板材料的掃描電鏡圖。【圖4】為實(shí)施例2制得的Na0.5Bi4.5Ti4O15模板材料的XRD圖?！緢D5】為實(shí)施例3制得的Na0.5Bi0.5TiO3模板材料的掃描電鏡圖?！緢D6】為實(shí)施例3制得的Na0.5Bi0.5TiO3模板材料的XRD圖?！緢D7】為實(shí)施例3制得的0.93BNT-0.07BT陶瓷材料的掃描電鏡圖。具體實(shí)施方式下面通過具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明的技術(shù)方案。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1制備以Bi4Ti3O12為模板的織構(gòu)化0.93BNT-0.07BT陶瓷。稱取11.356gBi2O3粉體、2.607gTiO2粉體，再稱取15.358gNaCl粉體，將所有粉體與無水乙醇球磨混合球磨24小時(shí)，將混合后的料烘干，裝入氧化鋁坩鍋放入爐子中1100℃保溫2小時(shí)，冷卻后放入布氏漏斗中用去離子水洗凈NaCl，烘干得到片狀Bi4Ti3O12模板。使用粘塑性加工工藝(VPP)以及壓延工藝得到厚度不大于100μm的0.93BNT-0.07BT薄片生坯；將Bi4Ti3O12模板材料中的一種分散到酒精或者其他有機(jī)溶劑中，配成高濃度的漿料；用毛刷或者其他工具在0.93BNT-0.07BT生坯薄片的表面刷一層模板籽晶層；將膜片切割后疊片熱壓成型；將成型后的坯體排粘、等靜壓之后燒結(jié)得到織構(gòu)化的0.93BNT-0.07BT陶瓷材料,其織構(gòu)度為78％。圖1說明了所制備的鈦酸鉍為明顯的片狀結(jié)構(gòu)，并且大部分片狀尺寸達(dá)到10微米以上說明1000℃溫度使模板得到較充分的長大。圖2說明了合成的片狀模板材料物相為單一的鈦酸鉍物相，所得的模板為純的鈦酸鉍模板。實(shí)施例2制備以Na0.5Bi4.5Ti4O15為模板的織構(gòu)化0.93BNT-0.07BT陶瓷。以Na2CO3粉體、TiO2粉體、片狀Bi4Ti3O12前驅(qū)體以及熔鹽為原料，按照一定的化學(xué)計(jì)量比稱取原料，熔鹽的質(zhì)量與Na2CO3粉體、TiO2粉體、片狀Bi4Ti3O12前驅(qū)體的總質(zhì)量相等；將所有原料進(jìn)行濕式球磨混合后烘干，然后于1050℃保溫4小時(shí)，最后用去離子水洗凈殘留的熔鹽，烘干得到片狀Na0.5Bi4.5Ti4O15模板。使用粘塑性加工工藝(VPP)以及壓延工藝得到厚度不大于100μm的0.93BNT-0.07BT薄片生坯；將Na0.5Bi4.5Ti4O15或者Na0.5Bi0.5TiO3模板材料中的一種分散到酒精或者其他有機(jī)溶劑中，配成高濃度的漿料；用毛刷或者其他工具在0.93BNT-0.07BT生坯薄片的表面刷一層模板籽晶層；將膜片切割后疊片熱壓成型；將成型后的坯體排粘、等靜壓之后燒結(jié)得到織構(gòu)化的0.93BNT-0.07BT陶瓷材料,其織構(gòu)度為80％。將所得陶瓷材料樣品磨成厚度為0.45mm薄片，在薄片的上下表面被上Ag電極，在室溫下硅油中，測試所述織構(gòu)化的0.93BNT-0.07BT陶瓷的性能，其電致應(yīng)變高達(dá)0.5％(60kV/cm)，動(dòng)態(tài)壓電系數(shù)為475pm/V。圖3說明了所制備的Na0.5Bi4.5Ti4O15籽晶為明顯的片狀結(jié)構(gòu)，并且大部分片狀尺寸達(dá)到10微米以上說明1000℃溫度使模板得到較充分的長大。圖4說明了合成的片狀模板材料物相為單一的Na0.5Bi4.5Ti4O15物相，所得的模板為純的Na0.5Bi4.5Ti4O15模板。實(shí)施例3制備以Na0.5Bi0.5TiO3為模板的織構(gòu)化0.93BNT-0.07BT陶瓷。使用粘塑性加工工藝(VPP)以及壓延工藝得到厚度不大于100μm的(1-x)BNT-xBT薄片生坯；將Na0.5Bi0.5TiO3模板材料中的一種分散到酒精或者其他有機(jī)溶劑中，配成高濃度的漿料；用毛刷或者其他工具在(1-x)BNT-xBT生坯薄片的表面刷一層模板籽晶層；將膜片切割后疊片熱壓成型；將成型后的坯體排粘、等靜壓之后燒結(jié)得到織構(gòu)化的(1-x)BNT-xBT陶瓷材料,其織構(gòu)度為94％。將所得陶瓷材料樣品磨成厚度為0.45mm薄片，在薄片的上下表面被上Ag電極，在室溫下硅油中，測試所述織構(gòu)化的0.93BNT-0.07BT陶瓷的性能，其電致應(yīng)變?yōu)?.32％(60kV/cm)，動(dòng)態(tài)壓電系數(shù)為537pm/V。圖5說明了所制備的Na0.5Bi0.5TiO3籽晶為明顯的片狀結(jié)構(gòu)，并且大部分片狀尺寸達(dá)到10微米以上說明1000℃溫度使模板得到較充分的長大。圖6可以看出(100)及(200)方向的峰有很高的衍射強(qiáng)度，而非(100)及(200)方向的峰衍射強(qiáng)度很低，說明了0.93BNT-0.07BT陶瓷產(chǎn)生了很明顯的取向性，產(chǎn)生了高的織構(gòu)度。圖7可以看出所制備的0.93BNT-0.07BT陶瓷都為片狀結(jié)構(gòu)，并且沿一定方向整齊排列，說明片狀結(jié)構(gòu)明顯并且片狀一致躺倒，產(chǎn)生了高的織構(gòu)度。從實(shí)施例1～3中可以看出：將實(shí)施例1～3制得的陶瓷材料樣品磨成厚度為0.45mm薄片，在薄片的上下表面被上Ag電極，在室溫硅油中，60kV/cm的電壓下測試其電致應(yīng)變，當(dāng)模板含量為20％時(shí)織構(gòu)度高達(dá)94％，但此時(shí)由于化學(xué)組分偏移導(dǎo)致電致應(yīng)變性能較低。當(dāng)模板含量為5％時(shí)織構(gòu)度達(dá)70％電致應(yīng)變性能為0.5％(60kV/cm)，動(dòng)態(tài)壓電系數(shù)為537pm/V。這表明晶粒的取向和化學(xué)組分決定了陶瓷的電致應(yīng)變性能，雖然模板含量為5％時(shí)陶瓷的織構(gòu)度未達(dá)到最大值，但是此時(shí)取得了最佳性能。