一種鈦酸鉍鈉體系無鉛壓電陶瓷及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鈦酸鉍鈉體系無鉛壓電陶瓷及其制備方法，其原料組分及其摩爾百分比含量為0.96(Bi0.5Na0.44?xK0.06Lix)TiO3?0.04BaTiO3，其中x＝0.005～0.065。先將Bi2O3、K2CO3、Na2CO3、TiO2、Li2CO3、和Ba2CO3，混合配料，經(jīng)過球磨、烘干，于850℃預(yù)燒，再經(jīng)過二次球磨、烘干、造粒、成型、排膠后，于1100～1200℃燒結(jié)，再經(jīng)過被銀與極化后，制得無鉛壓電陶瓷。本發(fā)明材料的主晶相為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，在每毫米6.5千伏的電場(chǎng)下存在最大0.37％的應(yīng)變，具有較好的壓電性能，且制備工藝穩(wěn)定，可重復(fù)，具有實(shí)用性。該無鉛壓電陶瓷材料可用于壓電打火機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、傳感器等多種領(lǐng)域。
【專利說明】
一種鈦酸鉍鈉體系無鉛壓電陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于一種以成分為特征的陶瓷組合物，特別是涉及一種鈦酸鉍鈉體系無鉛壓電陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，是一類重要的電功能材料，廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)器、傳感器、換能器等多種器件的制作，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到機(jī)械、電子、通訊、精密控制、國防軍事等各個(gè)方面。
[0003]由于鉛基壓電陶瓷具有大的電致應(yīng)變特性，因而長(zhǎng)久以來含鉛電致應(yīng)變材料在電子信息產(chǎn)品中有著舉足輕重的不可替代作用，但Pb的毒性使得該體系陶瓷在生產(chǎn)、使用及廢棄過程中，會(huì)給人類的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重后果。各主要工業(yè)國及我國政府都頒布了相應(yīng)的法律法規(guī)，限制或在不久的將來全面禁止含鉛等有害物質(zhì)在電子信息產(chǎn)品中的使用。因此研究和開發(fā)無鉛的電致應(yīng)變材料是一項(xiàng)重要而緊迫的課題。
[0004]由于BiQ.5NaQ.5Ti03(BNT)基無鉛壓電陶瓷具有很高的剩余極化強(qiáng)度和較高的居里溫度被認(rèn)為是最有望取代含鉛壓電陶瓷的候選體系之一。然而純的BNT陶瓷存在室溫下矯頑場(chǎng)強(qiáng)大、漏電流高、化學(xué)穩(wěn)定性差、難以獲得致密陶瓷體等不足，為了提高陶瓷的壓電性能，添加第二組元進(jìn)行摻雜改性發(fā)展了二元、三元體系，且研究表明其具有比純BNT體系陶瓷更好的燒結(jié)特性和壓電性能，獲得了良好的電致應(yīng)變效應(yīng)。然而，BNT基無鉛壓電陶瓷的綜合壓電性能還相對(duì)偏低，為了獲得更優(yōu)的電致應(yīng)變效應(yīng)，對(duì)于鈦酸鉍鈉體系進(jìn)行Li等價(jià)摻雜的研究鮮有報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的，是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種具有良好的壓電性能、燒結(jié)性能穩(wěn)定的鈦酸鉍鈉體系壓電陶瓷制備及其制備方法。
[0006]本發(fā)明通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0007]—種鈦酸鉍鈉體系無鉛壓電陶瓷，其原料組分及其摩爾百分比含量為0.96(1^0.5他().44-\1(().()61^)1';[03-0.041^11';[03，所述叉=0.005?0.065。
[0008]上述壓電陶瓷的制備方法如下:
[0009](I)配料合成
[0010]按0.96(BiQ.5Na().44-xKQ.()6Lix)Ti03-0.(MBaT13，其中 x = 0.005 ?0.065 的化學(xué)計(jì)量比稱取原料Bi2O3、K2C03、Na2C03、T12、Li2CO3、和Ba2CO3，混合均勻后裝入球磨罐中，以無水乙醇和氧化鋯球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)進(jìn)行球磨，再將球磨后的料漿于80°C烘干；
[0011](2)預(yù)燒
[0012]將步驟(I)烘干后的粉料放入氧化鋁坩禍內(nèi)，置于馬弗爐中于850°C預(yù)燒，保溫5h，然后自然冷卻至室溫，再將預(yù)燒后的粉料置于球磨機(jī)中進(jìn)行二次球磨，再于80°C烘干；
[0013]⑶造粒
[0014]將步驟(2)烘干后的粉料在研缽中研細(xì)，外加質(zhì)量百分比含量為5%的聚乙烯醇縮丁醛酒精溶液，充分研磨至粉料呈粒狀，得到顆粒均勻的粒料；
[0015](4)成型
[0016]采用干壓成型，將步驟(3)得到的粒料放入模具內(nèi)，壓制成型為坯體；
[0017](5)排膠
[0018]將步驟(4)得到的坯體置于馬弗爐中進(jìn)行排膠，以:TC/min的升溫速度從室溫升溫至600°C，保溫排膠5h，然后自然冷卻至室溫；
[0019](6)燒結(jié)
[0020]將步驟(5)排膠后的坯片放置在氧化鋁片上，坩禍倒扣密封，置于馬弗爐中，以5°C/min的升溫速率升溫至1100?1200°C燒結(jié)，保溫I?2h，隨爐自然冷卻至室溫，制得無鉛壓電陶瓷；
[0021]⑴被銀
[0022]將步驟(6)得到的無鉛壓電陶瓷進(jìn)行清潔處理后，采用絲網(wǎng)印刷法在其表面涂覆低溫銀漿，然后在550°C下保溫30min制成電極，冷卻至室溫；
[0023](8)極化
[0024]將步驟(7)冷卻至室溫的壓電陶瓷在室溫下浸入硅油中進(jìn)行極化處理，即得到0.96 (B1.5Na0.44-xK0.06Lix)Ti03-0.(MBaT13 無鉛壓電陶瓷元件。
[0025]所述步驟(I)和步驟(2)的球磨中，其配料:磨球:無水乙醇質(zhì)量比為2:1:0.5，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為5h。
[0026]所述步驟(4)的模具為直徑13mm的不銹鋼模具，壓制成型的坯體為厚度Imm的圓片狀。
[0027]所述步驟(4)的成型壓力為65?130Mpa。
[0028]所述步驟(6)的燒結(jié)溫度為1160°C?1180°C，保溫2h。
[0029]所述步驟(8)的極化時(shí)間為10?30min，極化電場(chǎng)為2?4kV/mm。
[0030]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用鈦酸鉍鈉鉀-鈦酸鋇為基體摻雜制備的鈣鈦礦體系無鉛壓電陶瓷，僅包含鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，無雜相出現(xiàn)，隨著鋰摻雜量的增加，壓電陶瓷伴隨著鐵電相到弛豫相的轉(zhuǎn)變，最優(yōu)性能的壓電陶瓷在每毫米6.5千伏下存在大應(yīng)變0.37%和小的彌散損耗能，在單極和雙極電場(chǎng)下具有高的Smax/Emax，分別為580pm/V和480pm/V。
[0031]本發(fā)明制備的無鉛壓電陶瓷生產(chǎn)成本低，壓電性能好，是一種具有發(fā)展前景的作為致動(dòng)器或傳感器的陶瓷體系。
【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1-4制得的不同組分無鉛壓電陶瓷的X射線衍射圖。
[0033]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1-4制得的不同組分無鉛壓電陶瓷單極電致應(yīng)變曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0035]本發(fā)明的一種無鉛三元體系壓電陶瓷，0.96 (B1.5Na0.44-XKQ.Q6Lix) T13-0.(MBaT13，其中 χ = 0.005?0.065。
[0036]實(shí)施例1
[0037](I)配料合成
[0038]按0.96(BiQ.5Na0.44-xKq.Q6LUT13-0.(MBaT13，χ = 0.005 的化學(xué)計(jì)量比稱取原料Bi203、K2C03、Na2C03、Ti02、Li2C03、和Ba2CO3,混合均勻，裝入球磨罐中，以無水乙醇和氧化鋯球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，在每分鐘為800轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速下球磨5h，再將球磨后的料漿置于烘箱內(nèi)80°C下烘干；
[0039](2)預(yù)燒
[0040]將步驟(I)烘干后的粉料放入氧化鋁坩禍內(nèi)，在馬弗爐中于850°C預(yù)燒，保溫5h，然后自然冷卻至室溫，再將預(yù)燒后的粉料置于球磨機(jī)中進(jìn)行二次球磨，即每分鐘為800轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速下球磨5h后得到球磨料漿，再將料漿置于烘箱里80°C烘干；
[0041](3)造粒
[0042]將步驟(2)烘干后的粉料在研缽中研細(xì)，外加質(zhì)量百分比為5%的聚乙烯醇縮丁醛(PVB)酒精溶液，充分研磨至粉料呈粒狀，得到顆粒均勻的粒料；
[0043](4)成型
[0044]采用干壓成型，將步驟(3)得到的粒料放入直徑為13mm的不銹鋼模具內(nèi)，在10MPa壓力下壓制成型為厚度為Imm的圓片狀坯體；
[0045](5)排膠
[0046]將步驟(4)的坯體置于馬弗爐中進(jìn)行排膠，以:TC/min的升溫速度從室溫升溫至600 0C，保溫排膠5h，然后自然冷卻至室溫；
[0047](6)燒結(jié)
[0048]將步驟(5)得到的排膠后的坯體放置在氧化鋁片上，坩鍋倒扣密封，置于馬弗爐中，以5°C/min的升溫速率升溫至1180°C燒結(jié)，保溫2h，隨爐自然冷卻至室溫，制得無鉛壓電陶瓷；
[0049](7)被銀
[0050]將步驟(6)得到的無鉛壓電陶瓷進(jìn)行清潔處理后，采用絲網(wǎng)印刷法在其表面涂覆低溫銀漿，然后在550°C下保溫30min制成電極，冷卻至室溫；
[0051](8)極化
[0052]將步驟(7)得到的壓電陶瓷片在室溫下浸入硅油中進(jìn)行極化處理，極化電場(chǎng)為3kV/mm，極化時(shí)間為15min，即得到鈦酸祕(mì)鈉體系壓電陶瓷元件。
[0053]通過XRD分析本實(shí)驗(yàn)制備的壓電陶瓷，檢測(cè)結(jié)果如圖1所示，表明本實(shí)驗(yàn)制備壓電陶瓷為單一鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
[0054]檢測(cè)性能如下:
[0055]d33(pC/N) er tan5
[0056]1981227 0.031
[0057]實(shí)施例2
[0058]實(shí)施例2的原料組成的化學(xué)計(jì)量比，其中的x= 0.025，其它工藝條件與實(shí)施例1相同。
[0059]通過XRD分析本實(shí)驗(yàn)制備的壓電陶瓷，表明該壓電陶瓷為單一鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
[0060]檢測(cè)性能如下:
[0061]d33(pC/N) er tan5
[0062]2101207 0.030
[0063]實(shí)施例3
[0064]實(shí)施例3的原料組成的化學(xué)計(jì)量比，其中的x= 0.045，其它工藝條件與實(shí)施例1相同。
[0065]通過XRD分析本實(shí)驗(yàn)制備的壓電陶瓷，表明該壓電陶瓷為單一鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
[0066]檢測(cè)性能如下:
[0067]d33(pC/N) er tan5
[0068]2051347 0.043
[0069]實(shí)施例4
[0070]實(shí)施例4的原料組成的化學(xué)計(jì)量比，其中的x= 0.065，其它工藝條件與實(shí)施例1相同。
[0071]通過XRD分析本實(shí)驗(yàn)制備的壓電陶瓷，表明該壓電陶瓷為單一鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
[0072]檢測(cè)性能如下:
[0073]d33(pC/N) er tan5
[0074]51240 0.050
[0075]該壓電陶瓷d33值小于實(shí)施例1-3，其原因在于該鈦酸鉍鈉體系壓電陶瓷隨著鋰摻雜量的增加產(chǎn)生鐵電相到弛豫相的轉(zhuǎn)變，實(shí)施例4壓電陶瓷弛豫相占主導(dǎo)地位。因此該壓電陶瓷能在電場(chǎng)下產(chǎn)生更大的應(yīng)變響應(yīng)。
[0076]圖2為本實(shí)驗(yàn)制備無鉛壓電陶瓷實(shí)施例1-4的單極電致應(yīng)變曲線。在每毫米5.5千伏的電場(chǎng)下，實(shí)施例1-3產(chǎn)生0.18?0.19%的應(yīng)變。實(shí)施例4存在優(yōu)于實(shí)施例1-3的應(yīng)變，為
0.28%,該壓電陶瓷在每毫米6.5千伏的電場(chǎng)下存在0.37 %的大應(yīng)變和小的彌散損耗能。在單極和雙極電場(chǎng)下，該壓電陶瓷具有高的，分別為580pm/V和480pm/V，表明了所得無鉛壓電陶瓷制品具有較好的壓電性能。
[0077]該無鉛壓電陶瓷材料可用于壓電打火機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、傳感器等多種領(lǐng)域。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鈦酸鉍鈉體系無鉛壓電陶瓷，其原料組分及其摩爾百分比含量為0.96(1^0.5他().44-\1(().()61^)1';[03-0.041^11';[03，所述叉=0.005?0.065。 該鈦酸鉍鈉體系無鉛壓電陶瓷的制備方法，具有如下步驟: (1)配料合成按 0.96(B1.5Na0.44-xK0.06Lix)Ti03-0.(MBaT13，其中 x = 0.005 ?0.065 的化學(xué)計(jì)量比稱取原料Bi2O3、K2C03、Na2C03、T12、Li2CO3、和Ba2CO3，混合均勻后裝入球磨罐中，以無水乙醇和氧化鋯球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)進(jìn)行球磨，再將球磨后的料漿于80 0C烘干； (2)預(yù)燒 將步驟(I)烘干后的粉料放入氧化鋁坩禍內(nèi)，置于馬弗爐中于850°C預(yù)燒，保溫5h，然后自然冷卻至室溫，再將預(yù)燒后的粉料置于球磨機(jī)中進(jìn)行二次球磨，再于80°C烘干； (3)造粒 將步驟(2)烘干后的粉料在研缽中研細(xì)，外加質(zhì)量百分比含量為5%的聚乙烯醇縮丁醛酒精溶液，充分研磨至粉料呈粒狀，得到顆粒均勻的粒料； (4)成型 采用干壓成型，將步驟(3)得到的粒料放入模具內(nèi)，壓制成型為坯體； (5)排膠 將步驟(4)得到的坯體置于馬弗爐中進(jìn)行排膠，以:TC/min的升溫速度從室溫升溫至600 0C，保溫排膠5h，然后自然冷卻至室溫； (6)燒結(jié) 將步驟(5)排膠后的坯體放置在氧化鋁片上，坩鍋倒扣密封，置于馬弗爐中，以5°C/min的升溫速率升溫至1100?1200°C燒結(jié)，保溫I?2h，隨爐自然冷卻至室溫，制得無鉛壓電陶 (7)被銀 將步驟(6)得到的無鉛壓電陶瓷進(jìn)行清潔處理后，采用絲網(wǎng)印刷法在其表面涂覆低溫銀漿，然后在550 °C下保溫30min制成電極，冷卻至室溫； (8)極化 將步驟(7)冷卻至室溫的壓電陶瓷在室溫下浸入硅油中進(jìn)行極化處理，即得到0.96(B1.5Na0.44-xK0.06Lix)Ti03-0.(MBaT13 無鉛壓電陶瓷元件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦酸鉍鈉體系無鉛壓電陶瓷，其特征在于，所述步驟(I)和步驟(2)的球磨中，其配料:磨球:無水乙醇質(zhì)量比為2:1:0.5,球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為5h。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦酸鉍鈉體系無鉛壓電陶瓷，其特征在于，所述步驟(4)的模具為直徑13_的不銹鋼模具，壓制成型的坯體為厚度Imm的圓片狀。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦酸鉍鈉體系無鉛壓電陶瓷，其特征在于，所述步驟(4)的成型壓力為65?130Mpa。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦酸鉍鈉體系無鉛壓電陶瓷，其特征在于，所述步驟(6)的燒結(jié)溫度為1160°C?1180°C，保溫2h。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦酸鉍鈉體系無鉛壓電陶瓷，其特征在于，所述步驟(8)的極化時(shí)間為10?30min，極化電場(chǎng)為2?4kV/mm。
【文檔編號(hào)】C04B41/90GK105837205SQ201610176667
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月24日
【發(fā)明人】戴葉婧, 尹東升, 趙志浩
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)