一種低溫?zé)Y(jié)三元系弛豫鐵電陶瓷材料、制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三元系弛豫鐵電陶瓷材料、制備方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]三元系弛豫鐵電材料Pb (In1/2Nb1/2) O3-Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-PbT13 (簡稱 PIN-PMN-PT)以其具有比二元系Pb (Mg1/3Nb2/3) 03^^1103材料高的相變溫度和大的矯頑場在近年來備受材料研究界的廣泛關(guān)注。該體系在新一代寬溫區(qū)、大功率壓鐵電器件開發(fā)上具有良好的應(yīng)用前景。目前大部分研究工作集中在PIN-PMN-PT單晶的制備和表征上。單晶材料具有優(yōu)異的電學(xué)性能，但是其復(fù)雜的制備工藝、明顯的組分分凝、昂貴的價格和較差的機(jī)械性能等缺點(diǎn)使得其應(yīng)用受限。
[0003]壓電陶瓷材料制備工藝簡單且成本低、性能穩(wěn)定、易于機(jī)械加工，因而被廣泛地應(yīng)用于各類壓電器件中。目前，各國學(xué)者對三元系PIN-PMN-PT基鐵電陶瓷材料的制備、相結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了研究報道[Journal ofAlloys and Compounds 489 (2010) 115 ?118 ； Journal ofthe European Ceramic Society 32 (2012)433 ?439 ;Ferroelectrics464(2014)130 ?135 !Journal of Materials Science!Materials in Electronics26(2015) 1874-1880等]。在這些報道中，PIN-PMN-PT陶瓷的燒結(jié)溫度均為1250°C或者更高。如此高的溫度會引起材料中氧化鉛的嚴(yán)重?fù)]發(fā)，導(dǎo)致陶瓷材料組分偏析，使其電性能下降，并且引發(fā)環(huán)境污染等問題。此外，在實際應(yīng)用中為了滿足使用要求，往往需要將陶瓷材料做成多層結(jié)構(gòu)。在制備多層結(jié)構(gòu)陶瓷材料時需要事先涂覆導(dǎo)電內(nèi)電極。常用的銅、銀等廉價電極材料由于熔點(diǎn)低，在高溫(1250°C或者更高)燒結(jié)過程中會失效；而若采用耐高溫的鈀銠內(nèi)電極由于其價格昂貴無疑會大大增加生產(chǎn)成本，限制生產(chǎn)和使用范圍的擴(kuò)大。因此，降低三元系PIN-PMN-PT弛豫鐵電陶瓷的燒結(jié)溫度就顯得十分必要。
[0004]有相關(guān)文獻(xiàn)報道了采用水熱法、凝膠溶膠法、共沉淀法等工藝可以實現(xiàn)鉛基鐵電陶瓷的低溫?zé)Y(jié)[例如 Integrated Ferroelectrics 119 (2010) 82 ?88 ;Journal ofApplied Physicslll(2012)024314 !Journal ofInorganic Materials 17(2002) 1141 ?1146等]。但是上述方法存在操作復(fù)雜、成本較高、無法大批量生產(chǎn)等問題。因此，探尋簡單易實現(xiàn)的低溫?zé)Y(jié)陶瓷材料及其制備工藝對三元系PIN-PMN-PT鐵電陶瓷器件化應(yīng)用具有非常重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有PIN-PMN-PT陶瓷燒結(jié)溫度高，鉛揮發(fā)嚴(yán)重引發(fā)鉛污染、材料組分偏移、電性能下降、生產(chǎn)成本較高的問題，而提供一種低溫?zé)Y(jié)三元系弛豫鐵電陶瓷材料、制備方法及其應(yīng)用。
[0006]—種低溫?zé)Y(jié)三元系弛豫鐵電陶瓷材料的化學(xué)通式為xPb (In1/2Nb1/2)03-(l-x-y)Pb (Mg1/3Nb2/3) 03-yPbTi03-awt.% CuO，其中 0.16 彡 x 彡 0.36，0.32 彡 y 彡 0.36，0〈a 彡 2。
[0007]—種低溫?zé)Y(jié)三元系弛豫鐵電陶瓷材料的制備方法是按以下步驟完成的:
[0008]—、采用固相反應(yīng)法合成純相的MgNb2O6前驅(qū)體粉體；
[0009]二、采用固相反應(yīng)法合成純相的InNbO4前驅(qū)體粉體；
[0010]三、以PbO、T12、步驟一得到的純相的MgNb2O6前驅(qū)體粉體和步驟二得到的純相的InNbO4前驅(qū)體粉體為原料，采用固相反應(yīng)法合成純相的xPb(In 1/2Nb1/2)O3-(l_x_y)Pb(Mg1/3Nb2/3)03_yPbTi03基體粉體，其中 0.16 彡 x 彡 0.36，0.32 ^ y ^ 0.36 ；
[0011 ]四、以 CuO 和步驟三得到的純相的 xPb (In1/2Nb1/2) O3- (Ι-χ-y) Pb (Mg1/3Nb2/3)03-yPbTi03S體粉體為原料，采用固相合成制備技術(shù)結(jié)合流延疊層成型法制備低溫?zé)Y(jié)三元系弛豫鐵電陶瓷材料；所述低溫?zé)Y(jié)三元系弛豫鐵電陶瓷材料的化學(xué)通式為xPb (In1/2Nb1/2) O3- (Ι-χ-y) Pb (Mg1/3Nb2/3) 03-yPbTi03-awt.% CuO,其中 0.16 彡 x 彡 0.36，0.32 ^ y ^ 0.36，0〈a 彡 20
[0012]一種低溫?zé)Y(jié)三元系弛豫鐵電陶瓷材料用于制備大功率壓電蜂鳴器和多層壓電器件。
[0013]本發(fā)明有益效果:本發(fā)明通過添加可以在低溫下形成液相的CuO燒結(jié)助劑，并結(jié)合簡單易行的固相合成制備技術(shù)，通過流延疊壓成型工藝來實現(xiàn)該三元系陶瓷材料的低溫?zé)Y(jié)并保持高的電學(xué)性能。與現(xiàn)有陶瓷材料相比，低溫?zé)Y(jié)三元系弛豫鐵電陶瓷材料的燒結(jié)溫度由以往的1250°C降低到950°C，同時使得該材料的居里溫度得到了顯著提高，可達(dá)210°C以上，使其溫度穩(wěn)定性增強(qiáng)，同時，使該材料的高場壓電性能得到了明顯改善，高場壓電系數(shù)可達(dá)950pC/N以上。該材料體系的制備工藝可有效的抑制鉛揮發(fā)、降低生產(chǎn)成本，同時優(yōu)化該體系性能。
【附圖說明】
[0014]圖1是實施例一制備的低溫?zé)Y(jié)三元系弛豫鐵電陶瓷材料的XRD圖譜；
[0015]圖2是實施例二制備的低溫?zé)Y(jié)三元系弛豫鐵電陶瓷材料的斷面微觀形貌圖；
[0016]圖3是實施例三制備的低溫?zé)Y(jié)三元系弛豫鐵電陶瓷材料的介電溫譜圖；
[0017]圖4是實施例三制備的低溫?zé)Y(jié)三元系弛豫鐵電陶瓷材料的應(yīng)變-電場曲線。
【具體實施方式】
[0018]本發(fā)明技術(shù)方案不限于以下所列舉的【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】之間的任意組合。
[0019]【具體實施方式】一:本實施方式一種低溫?zé)Y(jié)三元系弛豫鐵電陶瓷材料的化學(xué)通式為 xPb(In1/2Nb1/2)03-(l-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)03-yPbTi03-awt.% CuO，其中 0.16 彡 x 彡 0.36，0.32 ^ y ^ 0.36，0〈a 彡 2。
[0020]【具體實施方式】二:本實施方式一種低溫?zé)Y(jié)三元系弛豫鐵電陶瓷材料的制備方法是按以下步驟完成的:
[0021]—、采用固相反應(yīng)法合成純相的MgNb2O6前驅(qū)體粉體；
[0022]二、采用固相反應(yīng)法合成純相的InNbO4前驅(qū)體粉體；
[0023]三、以PbO、T12、步驟一得到的純相的MgNb2O6前驅(qū)體粉體和步驟二得到的純相的InNbO4前驅(qū)體粉體為原料，采用固相反應(yīng)法合成純相的xPb(In 1/2Nb1/2)O3-(Ι-χ-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)03-yPbTi03基體粉體，其中 0.16 彡 x 彡 0.36，0.32 ^ y ^ 0.36 ；
[0024]四、以Cu。和步驟三得到的純相的 xPb (In1/2Nb1/2) O3-(Ι-χ-y) Pb (Mg1/3Nb2/3)03-yPbTi03S體粉體為原料，采用固相合成制備技術(shù)結(jié)合流延疊層成型法制備低溫?zé)Y(jié)三元系弛豫鐵電陶瓷材料；所述低溫?zé)Y(jié)三元系弛豫鐵電陶瓷材料的化學(xué)通式為xPb (In1/2Nb1/2) O3- (Ι-χ-y) Pb (Mg1/3Nb2/3) 03-yPbTi03-awt.% CuO,其中 0.16 彡 x 彡 0.36，0.32 ^ y ^ 0.36，0〈a 彡 20
[0025]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】二不同的是:步驟一中采用固相反應(yīng)法合成純相的MgNb2O6前驅(qū)體粉體具體是按以下步驟進(jìn)行的:
[0026]按化學(xué)式為MgNb2O6的配比稱取MgO和Nb 205,將稱取的MgO和Nb2O5混合并置于聚乙烯球磨罐中，以無水乙醇作為球磨介質(zhì)，瑪瑙球為磨球，球磨24h?72h，得到球磨后的濕料A，將球磨后的濕料A置于溫度為50°C?100°C的烘箱內(nèi)烘干，得到干燥塊料A，將干燥塊料A置于瑪瑙研缽中研磨破碎，得到粉料A，然后將粉料A置于有蓋氧化鋁坩禍中，在溫度為1000°C?1150°C下預(yù)燒2h?6h，得到純相的MgNb2O6前驅(qū)體粉體。其他與【具體實施方式】二相同。
[0027]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】二或三不同的是:步驟二中采用固相反應(yīng)法合成純相的111他04前驅(qū)體粉體具體是按以下步驟進(jìn)行的:
[0028]按化學(xué)式為InNbO4的配比稱取In 203和Nb 205,將稱取的In2O3和Nb 205混合并置于聚乙烯球磨罐中，以無水乙醇作為球磨介質(zhì)，瑪瑙球為磨球，球磨24h?72h，得到球磨后的濕料B，將球磨后的濕料B置于溫度為50°C?100°C的烘箱內(nèi)烘干，得到干燥塊料B，將干燥塊料B置于瑪瑙研缽中研磨破碎，得到粉料B，然后將粉料B置于有蓋氧化鋁坩禍中，在溫度為1050°C?1150°C下預(yù)燒2h?6h，得到純相的InNbO4前驅(qū)體粉體。其他與【具體實施方式】二或三相同。
[0029]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】二至四之一不同的是:步驟三中以PbO、Ti02、步驟一得到的純相的MgNb2O6前驅(qū)體粉體和步驟二得到的純相的InNbO4前驅(qū)體粉體為原料，采用固相反應(yīng)法合成純相的 xPb (In1/2Nb1/2) O3- (1-x-y) Pb (Mg1/3Nb2/3) 03-yPbTi03基體粉體具體是按以下步驟進(jìn)行的:
[0030]按化學(xué)通式為xPb (In1/2Nb1/2) O3-(Ι-χ-y) Pb (Mg1/3Nb2/3) 03-yPbT13配比稱取純相的MgNb2O6前驅(qū)體粉體、純相的InNbO 4前驅(qū)體粉體、PbO和T1 2，其中0.16彡x彡0.36，0.32彡y彡0.36，然后將稱取的純相的MgNb2O6前驅(qū)體粉體、純相的InNbO4前驅(qū)體粉體、PbO和1102混合并置于聚乙烯球磨罐中，以無水乙醇作為球磨介質(zhì)，瑪瑙球為磨球，球磨24h?96h，得到球磨后的濕料C，將球磨后的濕料C置于溫度為50°C?100°C的烘箱內(nèi)烘干，得到干燥塊料C，將干燥塊料C置于瑪瑙研缽中研磨破碎，得到粉料C，然后將粉料C置于有蓋氧化鋁坩禍中，在溫度為700°C?850°C下預(yù)燒2h?6h，得到PIN-PMN-PT基體粉體，然后將PIN-PMN-PT基體粉體置于聚乙烯球磨罐中，以無水乙醇作為球磨介質(zhì)，瑪瑙球為磨球，球磨12h?72h，得到球磨后的PIN-PMN-PT基體粉體，將球磨后的PIN-PMN-PT基體粉體置于溫度為 50°C ?100°C 的烘箱內(nèi)烘干，得到純相的 xPb (In1/2Nb1/2) O3-(1-x-y) Pb (Mg1/3Nb2/3)03-yPbTi03S體粉體，其中0.16 < X < 0.36，0.32 ^