本發(fā)明涉及一種具有無滯后大電致應(yīng)變的bnt基三元無鉛鐵電陶瓷及制備，即新型(1-x-y)na0.5bi0.5tio3-xbatio3-ybi(mg0.5ti0.5)o3三元無鉛鐵電陶瓷，屬于陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景
具有大的電場誘導(dǎo)應(yīng)變的鐵電陶瓷被廣泛應(yīng)用于微位移器，制動(dòng)器，機(jī)敏材料及其它器件方面。鉛基鐵電陶瓷如pb(zr,ti)o3,pb(mg,nb)o3具有大的電致應(yīng)變特性，一直占據(jù)電致應(yīng)變器件市場的主導(dǎo)地位。但是其大的鉛含量污染環(huán)境，有害人體健康，與環(huán)境友好型社會(huì)背道而馳。因此目前研究和開發(fā)無鉛基鐵電陶瓷具有很重要的意義。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，新型微位移器件在精密光學(xué)、微電子學(xué)、航空航天、精密機(jī)床、微型馬達(dá)、生物醫(yī)學(xué)和掃描隧道效應(yīng)顯微鏡等高技術(shù)領(lǐng)域的需求量日益增長，對精密元器件在加工過程中的定位精確性提出了更高要求。然而，外界環(huán)境因素如：溫度、震動(dòng)、噪聲的變化都會(huì)對器件的微加工造成影響。因此，具有體積小、承載力大、位移分辨率高、響應(yīng)速度快，并且不發(fā)熱、不產(chǎn)生噪音、低能耗、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)的電致伸縮材料在微驅(qū)動(dòng)和微控制技術(shù)中占有愈來愈重要的地位，引起國內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注。隨著應(yīng)用需求的提高，特別是在天文學(xué)、光學(xué)的領(lǐng)域?qū)δ軌蛭⒚胨俣鹊卣{(diào)節(jié)光角度、光路程的位移元件提出更高要求，電致伸縮材料的研究得到了高度重視。目前，研究得最多的電致伸縮陶瓷是弛豫型鐵電體陶瓷材料。雖然電致伸縮效應(yīng)在固體電介質(zhì)中普遍存在，但是其大小不同。從應(yīng)用上看，在相對較低的電場條件下就能產(chǎn)生相對較大的應(yīng)變，而且應(yīng)變與電場的關(guān)系沒有滯后，重復(fù)性要好，同時(shí)還要求溫度效應(yīng)小。由于應(yīng)變正比于介電常數(shù)的平方，又由于鐵電體在其相變溫度附近具有很大的介電常數(shù)，所以鐵電體在其相變溫度附近應(yīng)該有較大的應(yīng)變。
電致伸縮是一個(gè)四階張量，存在于各種對稱性的固體中；它是離子偏離平衡位置生產(chǎn)極化的一個(gè)標(biāo)志，從而形成晶格常數(shù)的變化，即產(chǎn)生應(yīng)變。自從cross等在0.9pb(mg1/3nb2/3)o3–0.1pbtio3弛豫鐵電體中觀察到大的電致伸縮以來，鐵電體成為制作致動(dòng)器和微位移器的關(guān)鍵材料之一。近年來，研究者一直在無鉛鐵電體系中尋找具有大應(yīng)變、小滯后和高溫度穩(wěn)定性的電致伸縮材料。
bi1/2na1/2tio3(nbt)是一種abo3型復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料。在性能方面，bnt基鐵電鐵電陶瓷具有良好的溫度穩(wěn)定性，優(yōu)異的鐵電性能，較高的頻率常數(shù)，較小的介電系數(shù)，很大的各向異性，特別適用于高頻使用。nbt是一種典型的a位復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)弛豫鐵電體。早在1998年，chiang等在nbt–bt體系中觀察到0.25％的小滯后電致應(yīng)變。jo等提出，nbt基體系大的電致應(yīng)變，是由于nbt基體系中存在特殊的極性微區(qū)(polarnanoregions，pnrs)，施加電場后轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電態(tài)，而電場撤除后恢復(fù)到極化前的狀態(tài)。han等將nbt基體系的pnrs分為非遍歷態(tài)(低溫)和遍歷態(tài)(高溫)：遍歷態(tài)pnrs只能在電場的誘導(dǎo)下形成長程序，但電場撤除后則恢復(fù)非極性平衡態(tài)，從而產(chǎn)生無滯后的大電致應(yīng)變。目前，遍歷態(tài)與非遍歷態(tài)之間的轉(zhuǎn)變已成為解釋nbt基體系介電和鐵電行為的主要觀點(diǎn)，盡管其他研究者提出了一些其它的解釋。為獲得大的、無滯后的電致應(yīng)變，研究者致力于獲得具有非遍歷態(tài)與遍歷態(tài)pnrs共存結(jié)構(gòu)的nbt基體系。
基于上面的考慮，我們以處于四方相區(qū)的na0.5bi0.5tio3-batio3二元固溶體系為基底材料，加入立方相的bi(mg0.5ti0.5)o3構(gòu)成三元無鉛固溶體系(1-x-y)0.875na0.5bi0.5tio3-xbatio3-ybi(mg0.5ti0.5)o3。通過這種設(shè)計(jì)，我們希望能夠構(gòu)造處于遍歷態(tài)的鐵電陶瓷，獲得具有零滯后和大應(yīng)變系數(shù)的電致應(yīng)變材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是獲得一種無滯后大電致應(yīng)變的新型bnt基多元無鉛鐵電陶瓷體系。
為達(dá)到發(fā)明目的，本發(fā)明一種具有無滯后大電致應(yīng)變的bnt基三元無鉛鐵電陶瓷，其特征在于，含有na0.5bi0.5tio3、batio3和bi(mg0.5ti0.5)o3，通過引進(jìn)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)batio3和bimg0.5ti0.5o3，與bi0.5na0.5tio3形成三元無鉛體系，體系具有四方和贗立方鈣鈦礦相共存結(jié)構(gòu)；可在室溫附近獲得遍歷態(tài)弛豫鐵電體。
本發(fā)明得到的無鉛鐵電陶瓷的化學(xué)通式為(1-x-y)bi0.5na0.5tio3-xbatio3-ybimg0.5ti0.5o3(0.10≤x≤0.14,0.04≤y≤0.10)，可用(1-x-y)bnt-xbt-ybmt表示。
本發(fā)明采用傳統(tǒng)的陶瓷制備工藝，所述通式為(1-x-y)bi0.5na0.5tio3-xbatio3-ybimg0.5ti0.5o3的無鉛鐵電陶瓷可以采用的原料為化學(xué)純或電子級na2co3、bi2o3、tio2、baco3、(mgco3)4·mg(oh)2·5h2o等。具體制備方法為，根據(jù)化學(xué)通式的化學(xué)摩爾計(jì)量比稱量原料，將原料在乙醇中球磨12h，以使原料充分混合均勻，將混合均勻的原料烘干后裝入氧化鋁坩堝內(nèi)，在800-950℃進(jìn)行煅燒，保溫時(shí)間2h；煅燒后的粉料再經(jīng)過12h的球磨磨細(xì)，烘干,摻入黏結(jié)劑pvb，壓制成坯體(如在400mpa的壓力下壓制成直徑為11.5mm的圓片)，坯體在650℃排膠后，以3℃/min的速率升溫至1100℃～1200℃進(jìn)行燒結(jié)，保溫1～3h，獲得(1-x-y)bnt-xbt-ybmt陶瓷。燒結(jié)后的陶瓷片被上銀電極，用于對樣品進(jìn)行各項(xiàng)性能的測試。
本發(fā)明通過bnt基三元無鉛體系的構(gòu)建，成功實(shí)現(xiàn)了對bnt基電致伸縮滯后性能的改良，電致應(yīng)變提高，應(yīng)變s在0.2％～0.3％內(nèi)不等，而電致伸縮系數(shù)達(dá)到(2.0～2.8)×10-2m4/c2。本發(fā)明通過構(gòu)建(1-x-y)bi0.5na0.5tio3-xbatio3-ybimg0.5ti0.5o3三元無鉛固溶體，獲得了電致應(yīng)變s為0.30％，電致伸縮系數(shù)q33達(dá)到2.8×10-2m4/c2的無滯后的應(yīng)變材料，實(shí)現(xiàn)了與鉛基0.9pb(mgl/3nb2/3)o3-0.1pbtio3陶瓷應(yīng)變性能可比擬的無鉛鐵電陶瓷。
附圖說明
圖1為本發(fā)明成分組成為x＝0.12,y＝0.04電滯伸縮曲線。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。
制備本發(fā)明所述的通式為(1-x-y)bi0.5na0.5tio3-xbatio3-ybimg0.5ti0.5o3的無鉛鐵電陶瓷，可以采用化學(xué)純或電子級na2co3，bi2o3，tio2，baco3，(mgco3)4·mg(oh)2·5h2o等為原料，按照傳統(tǒng)的陶瓷制備工藝制得。具體制備方法為，根據(jù)化學(xué)通式和化學(xué)計(jì)量比稱量原料，將原料在乙醇中球磨12h，以使原料充分混合均勻，將混合均勻的原料烘干后裝入氧化鋁坩堝內(nèi)，在800-950℃進(jìn)行煅燒，保溫時(shí)間2h。煅燒合成的粉料再經(jīng)過12h的球磨磨細(xì)。
在烘干的粉料中加粘結(jié)劑，在400mpa的壓力下成型，壓制成直徑11.5mm，厚度1.5mm左右的成型物。將成型物排膠，最后在1100-1200℃下燒結(jié)2h，燒結(jié)后的陶瓷片被上銀電極然后對樣品進(jìn)行各項(xiàng)性能的測試。采用配有電致伸縮的鐵電測試儀(premierii,radianttechnologies,usa)，測試電致應(yīng)變。
按照上述方法制備的無鉛鐵電陶瓷的配方如下：
實(shí)施例1：
配方：
0.84bi0.5na0.5tio3-0.12batio3-0.04bimg0.5ti0.5o3
工藝：煅燒溫度850℃，燒結(jié)溫度1150℃。
實(shí)施例2：
配方：
0.80bi0.5na0.5tio3-0.14batio3-0.06bimg0.5ti0.5o3
工藝：煅燒溫度900℃，燒結(jié)溫度1100℃。
實(shí)施例3：
配方：
0.80bi0.5na0.5tio3-0.10batio3-0.10bimg0.5ti0.5o3
工藝：煅燒溫度850℃，燒結(jié)溫度1150℃。
實(shí)施例4：
配方：
0.79bi0.5na0.5tio3-0.13batio3-0.08bimg0.5ti0.5o3
工藝：煅燒溫度900℃，燒結(jié)溫度1200℃。
各實(shí)施例性能表：