本發(fā)明屬于陶瓷材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料，以及該陶瓷材料的制備方法。
背景技術(shù)：
：壓電陶瓷是一種可實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)化的高技術(shù)功能材料，在儲(chǔ)能、通信、電子、軍事和信息等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。鋯鈦酸鉛(pzt)基壓電陶瓷由于在準(zhǔn)同型相界處具有優(yōu)異的電學(xué)性能，過(guò)去一直被廣泛使用。但是材料中高含量的氧化鉛是一種有毒有害且在高溫下易揮發(fā)的物質(zhì)，在pzt基陶瓷的高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，大量鉛的揮發(fā)勢(shì)必造成環(huán)境的污染，直接危害人類的健康。近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及對(duì)無(wú)鉛壓電材料迫切的需求，無(wú)鉛壓電陶瓷的研究已成為一種迫切的研究熱點(diǎn)。鋯鈦酸鋇鈣基材料由于具有良好的壓電性能在無(wú)鉛壓電陶瓷領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注。2009年，西安交通大學(xué)任小兵課題組用固相法制備出(1-x)ba(zr0.2ti0.8)o3-x(ba0.7ca0.3)tio3無(wú)鉛壓電陶瓷，并采用組分變化和相圖詳細(xì)論證了準(zhǔn)同型相界(mpb)對(duì)性能的影響。目前，鋯鈦酸鋇鈣材料的研究主要集中在探討相結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)和電性能之間的的關(guān)系以及高壓電性起源等方面，但是鋯鈦酸鋇鈣材料燒結(jié)溫度高(1450～1500℃)一直是一個(gè)問(wèn)題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種介電性能優(yōu)越、鐵電性能良好、壓電性能較高、儲(chǔ)能性較好以及實(shí)用性強(qiáng)、重復(fù)性好、純度高、易于生產(chǎn)的鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣陶瓷材料，并提供一種該陶瓷材料的制備方法。解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：該陶瓷材料的通式為(1-x)(ba0.85ca0.15)(zr0.1ti0.9)o3-x(ba0.3sr0.7)tio3，式中x表示(ba0.3sr0.7)tio3的摩爾數(shù)，x的取值為0.05～0.20，優(yōu)選x的取值為0.15。本發(fā)明鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料的制備方法由下述步驟組成：1、配料按照(1-x)(ba0.85ca0.15)(zr0.1ti0.9)o3-x(ba0.3sr0.7)tio3的化學(xué)計(jì)量，稱取原料baco3、caco3、zro2、tio2和srco3，并向原料中加入nacl與kcl摩爾比為1:1的熔鹽，混合均勻，得到原料混合物，其中nacl與kcl的總質(zhì)量占原料混合物質(zhì)量的20％～60％；將原料混合物裝入尼龍罐中，以鋯球?yàn)槟デ?、無(wú)水乙醇為球磨介質(zhì)，充分混合球磨12～16小時(shí)，出料，在80～100℃下干燥12～24小時(shí)，用研缽研磨。2、預(yù)燒將步驟1研磨后的原料混合物置于氧化鋁坩堝內(nèi)，用瑪瑙棒輕輕壓實(shí)，加蓋，在1000～1150℃保溫3～5小時(shí)進(jìn)行預(yù)燒，預(yù)燒完后自然冷卻至室溫，用研缽研磨，過(guò)160目篩得到預(yù)燒粉。3、洗鹽向預(yù)燒粉中加入沸騰的去離子水，攪拌、靜置、沉淀、倒掉上清液；重復(fù)該過(guò)程，直至上清液中加入agno3水溶液后不出現(xiàn)白色沉淀為止，然后抽濾，濾餅在80～100℃干燥后，用研缽研磨，過(guò)160目篩。4、造粒及壓片向步驟3過(guò)160目篩后的預(yù)燒粉中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇水溶液的加入量為預(yù)燒粉質(zhì)量的40％～50％，造粒，過(guò)120目篩，制成球狀粉粒；將球狀粉粒用壓片機(jī)壓制成圓柱狀坯件。5、排膠將圓柱狀坯件放在氧化鋯平板上，將氧化鋯平板置于氧化鋁密閉匣缽中，用380分鐘升溫至500℃，保溫2小時(shí)，自然冷卻到室溫。6、燒結(jié)將步驟5中排膠以后的圓柱狀坯件以10℃/分鐘的升溫速率升溫至1000℃，再以3℃/分鐘的升溫速率升溫至1340～1400℃，恒溫?zé)Y(jié)4～7小時(shí)，然后以2℃/分鐘的降溫速率降至室溫。7、拋光將步驟6燒結(jié)后的陶瓷選取其中一個(gè)樣品表面用320目的砂紙打磨，然后用800目的砂紙打磨，最后用1500目的砂紙和金剛砂拋光至0.4～0.6mm厚，用酒精擦拭干凈；8、燒銀在步驟7拋光后的陶瓷上下表面分別涂覆厚度為0.01～0.03mm的銀漿，置于電阻爐中840℃保溫30分鐘，自然冷卻至常溫，制備成鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料。上述步驟1中，優(yōu)選加入的nacl與kcl的總質(zhì)量占原料混合物質(zhì)量的40％～50％。上述步驟2中，優(yōu)選在1100℃保溫4小時(shí)進(jìn)行預(yù)燒。上述步驟6中，優(yōu)選以3℃/分鐘的升溫速率升溫至1360℃，恒溫?zé)Y(jié)6小時(shí)。本發(fā)明陶瓷材料介電常數(shù)高、鐵電性能優(yōu)越、壓電性能良好、實(shí)用性強(qiáng)并易于生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，x取值為0.15時(shí)，該陶瓷材料介電性能優(yōu)越，其室溫介電常數(shù)可達(dá)3300，介電損耗為0.016，最大介電常數(shù)可到13985，居里溫度為81℃；鐵電性能良好，其剩余極化強(qiáng)度為9.3μc/cm2，矯頑場(chǎng)為2.45kv/cm；壓電性能較高，壓電常數(shù)為430pc/n、機(jī)電耦合系數(shù)為45％；儲(chǔ)能性較好，儲(chǔ)能密度為0.18j/cm3，儲(chǔ)能效率為65％；并且燒結(jié)溫度較低，為1360℃，是一種性能優(yōu)良的無(wú)鉛壓電陶瓷材料。本發(fā)明采用熔鹽法制備鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣陶瓷材料，制備方法簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、成品率高，不僅可以有效降低陶瓷材料的燒結(jié)溫度，同時(shí)還能提高陶瓷材料的性能。附圖說(shuō)明圖1是實(shí)施例1～4制備的鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料的xrd圖。圖2是實(shí)施例1～4制備的鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料在1khz下的介電常數(shù)和介電損耗隨溫度的變化關(guān)系圖。圖3是實(shí)施例1～4制備的鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料的室溫介電常數(shù)、室溫介電損耗和居里溫度隨x取值的變化關(guān)系圖。圖4是實(shí)施例1～4制備的鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料的電滯回線圖。圖5是實(shí)施例1～4制備的鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和矯頑場(chǎng)隨x取值的的變化關(guān)系圖。圖6是實(shí)施例1～4制備的鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)隨x取值的變化關(guān)系圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅限于這些實(shí)施例。實(shí)施例11、配料按照0.95(ba0.85ca0.15)(zr0.1ti0.9)o3-0.05(ba0.3sr0.7)tio3的化學(xué)計(jì)量，稱取原料baco3(純度99％)9.1870g、caco3(純度99％)0.8073g、zro2(純度99％)0.6626g、tio2(純度99.99％)4.0506g、srco3(純度99％)0.2926g，并稱取nacl(純度99％)6.5915g、kcl(純度99％)8.4085g，將稱好的所有物質(zhì)混合均勻，得到原料混合物；將原料混合物裝入尼龍罐中，以鋯球?yàn)槟デ?、無(wú)水乙醇為球磨介質(zhì)，用球磨機(jī)以401轉(zhuǎn)/分鐘充分混合球磨16小時(shí)，出料，在80℃下干燥12小時(shí)，用研缽研磨，得到混合料。2、預(yù)燒將步驟1研磨后的原料混合物置于氧化鋁坩堝內(nèi)，用瑪瑙棒輕輕壓實(shí)，加蓋，置于電阻爐內(nèi)，在1100℃保溫4小時(shí)進(jìn)行預(yù)燒，預(yù)燒完后自然冷卻至室溫，用研缽研磨，過(guò)160目篩得到預(yù)燒粉。3、洗鹽將預(yù)燒粉置于燒杯中，加入沸騰的去離子水，攪拌、靜置、沉淀、倒掉上清液，完成一次洗鹽過(guò)程；不斷重復(fù)該洗鹽過(guò)程，直至上清液中加入agno3水溶液后不出現(xiàn)白色沉淀為止，最后用循環(huán)水式真空泵進(jìn)行抽濾，濾餅置于干燥箱中80℃干燥后，用研缽研磨，過(guò)160目篩。4、造粒及壓片向步驟3過(guò)160目篩后的預(yù)燒粉中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇水溶液的加入量為預(yù)燒粉質(zhì)量的40％～50％，造粒，過(guò)120目篩，制成球狀粉粒；將球狀粉粒放入直徑為11.5mm的不銹鋼模具內(nèi)，用60mpa的壓力將其壓制成圓柱狀坯件。5、排膠將圓柱狀坯件放在氧化鋯平板上，將氧化鋯平板置于氧化鋁密閉匣缽中，用380分鐘升溫至500℃，保溫2小時(shí)，自然冷卻到室溫。6、燒結(jié)將步驟5排膠后的圓柱狀坯件以10℃/分鐘的升溫速率升溫至1000℃，再以3℃/分鐘的升溫速率升溫至1360℃，恒溫?zé)Y(jié)6小時(shí)，然后以2℃/分鐘的降溫速率降溫至室溫。7、拋光將步驟6燒結(jié)后的陶瓷選取其中一個(gè)樣品表面用320目的砂紙打磨，然后用800目的砂紙打磨，最后用1500目的砂紙和金剛砂拋光至0.4～0.6mm厚，用酒精擦拭干凈。8、燒銀在步驟7拋光后的陶瓷上下表面分別涂覆厚度為0.01～0.03mm的銀漿，置于電阻爐中840℃保溫30分鐘，自然冷卻至常溫，制備成鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料。實(shí)施例2本實(shí)施例的配料步驟1中，按照0.90(ba0.85ca0.15)(zr0.1ti0.9)o3-0.10(ba0.3sr0.7)tio3的化學(xué)計(jì)量，稱取原料baco3(純度99％)8.9213g、caco3(純度99％)0.7684g、zro2(純度99％)0.6306g、tio2(純度99.99％)4.0920g、srco3(純度99％)0.5877g，并稱取nacl(純度99％)6.5915g、kcl(純度99％)8.4085g，其他步驟與實(shí)施例1相同，制備成鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料。實(shí)施例3本實(shí)施例的配料步驟1中，按照0.85(ba0.85ca0.15)(zr0.1ti0.9)o3-0.15(ba0.3sr0.7)tio3的化學(xué)計(jì)量，稱取原料baco3(純度99％)8.6532g、caco3(純度99％)0.7291g、zro2(純度99％)0.5984g、tio2(純度99.99％)4.1337g、srco3(純度99％)0.8856g，并稱取nacl(純度99％)6.5915g、kcl(純度99％)8.4085g，其他步驟與實(shí)施例1相同，制備成鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料。實(shí)施例4本實(shí)施例的配料步驟1中，按照0.80(ba0.85ca0.15)(zr0.1ti0.9)o3-0.20(ba0.3sr0.7)tio3的化學(xué)計(jì)量，稱取原料baco3(純度99％)8.3824g、caco3(純度99％)0.6894g、zro2(純度99％)0.5658g、tio2(純度99.99％)4.1759g、srco3(純度99％)1.1865g，并稱取nacl(純度99％)6.5915g、kcl(純度99％)8.4085g，其他步驟與實(shí)施例1相同，制備成鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料。發(fā)明人對(duì)實(shí)施例1～4制備的鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料進(jìn)行了xrd表征和電學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖1～6。由圖1可見(jiàn)，實(shí)施例1～4制備的鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料均為純的鈣鈦礦相，無(wú)第二相存在；由圖2～3可見(jiàn)，陶瓷材料的居里溫度隨著x的增大而降低，介電常數(shù)隨著x的增大先增大后降低，而介電損耗卻隨著x的增大先降低后增大，在x取值為0.15時(shí)陶瓷材料的介電性能最好，其最大介電常數(shù)可達(dá)13985，室溫介電常數(shù)可達(dá)3300，室溫介電損耗為0.016，居里溫度為81℃；由圖4～6可見(jiàn)，實(shí)施例1～4制備的陶瓷材料均具有飽和的電滯回線，在x取值為0.15時(shí)，陶瓷材料的鐵電和壓電性能最好，剩余極化強(qiáng)度為9.3μc/cm2，矯頑場(chǎng)為2.45kv/cm，壓電常數(shù)為430pc/n，機(jī)電耦合系數(shù)為45％，儲(chǔ)能密度為0.18j/cm3，儲(chǔ)能效率為65％，是一種性能優(yōu)良的無(wú)鉛壓電陶瓷。實(shí)施例5本實(shí)施例的燒結(jié)步驟6中，將圓柱狀坯件以10℃/分鐘的升溫速率升溫至1000℃，再以3℃/分鐘的升溫速率升溫至1340℃，恒溫?zé)Y(jié)6小時(shí)，然后以2℃/分鐘的降溫速率降溫至室溫。其他步驟與實(shí)施例3相同，制備成鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料。實(shí)施例6本實(shí)施例的燒結(jié)步驟6中，將圓柱狀坯件以10℃/分鐘的升溫速率升溫至1000℃，再以3℃/分鐘的升溫速率升溫至1380℃，恒溫?zé)Y(jié)6小時(shí)，然后以2℃/分鐘的降溫速率降溫至室溫。其他步驟與實(shí)施例3相同，制備成鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料。實(shí)施例7本實(shí)施例的燒結(jié)步驟6中，將圓柱狀坯件以10℃/分鐘的升溫速率升溫至1000℃，再以3℃/分鐘的升溫速率升溫至1400℃，恒溫?zé)Y(jié)6小時(shí)，然后以2℃/分鐘的降溫速率降溫至室溫。其他步驟與實(shí)施例3相同，制備成鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料。發(fā)明人對(duì)實(shí)施例5～7制備的鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料的電學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。表1實(shí)施例5～7制備的鈦酸鍶鋇摻雜的鋯鈦酸鋇鈣基無(wú)鉛壓電陶瓷材料的電學(xué)性能陶瓷材料燒結(jié)溫度剩余極化強(qiáng)度矯頑場(chǎng)最大介電常數(shù)室溫介電常數(shù)實(shí)施例51340℃6.47μc/cm22.35kv/cm122133251實(shí)施例61380℃7.69μc/cm22.46kv/cm141003181實(shí)施例71400℃7.48μc/cm22.99kv/cm122732892當(dāng)前第1頁(yè)12