專利名稱：一種摻鋯和鉬的鉍層狀無鉛壓電陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種摻雜鋯和鉬的鉍層狀無鉛壓電陶瓷材料及其制備方法，屬于壓 電陶瓷制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在壓電陶瓷領(lǐng)域中，長(zhǎng)期以來由鋯鈦酸鉛(PZT)占主導(dǎo)地位。然而，鋯鈦酸鉛 陶瓷是含鉛陶瓷，其中氧化鉛(或四氧化三鉛)約占原料總質(zhì)量的70%左右。含鉛壓電 鐵電陶瓷在加工、燒結(jié)過程和使用過程中，都會(huì)給環(huán)境和人類帶來危害。因此，開發(fā)無 鉛基的環(huán)境協(xié)調(diào)性壓電陶瓷材料是一項(xiàng)緊迫而具有重要科學(xué)意義的課題。目前，國內(nèi)外研究的無鉛壓電陶瓷體系主要有鈦酸鋇基、鉍層狀結(jié)構(gòu)、鈦酸 鉍鈉基、堿金屬鈮酸鹽系及鎢青銅結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷。其中，鉍層狀結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷 材料作為一種鐵電材料，具有光電效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)、反常光生伏打效應(yīng)、光折變 效應(yīng)等特點(diǎn)；同時(shí)還有高的居里溫度，良好的抗疲勞特性以及漏電流小等優(yōu)點(diǎn)而受到研 究者的重視。但是鉍層狀結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷的壓電性能還不太理想，極化強(qiáng)度較高，現(xiàn) 從工藝改進(jìn)和配方改良的角度對(duì)其進(jìn)行研究，大大提高鉍層狀結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷材料的 壓電性能。在鉍層狀鈣鈦礦無鉛壓電陶瓷材料中，SrBi2Ta2O9是研究最多的材料之一，其介 電、壓電性能比較穩(wěn)定，但是還存在極化強(qiáng)度較高、燒結(jié)溫度較高等缺點(diǎn)。在實(shí)際中， Zr4+和Mo6+與Ta5+離子半徑相近，通過復(fù)合還使得其電價(jià)一致，因此在復(fù)合置換Ta時(shí)， 能使SrBi2Ta2O9晶粒內(nèi)部出現(xiàn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和晶界的滑移，實(shí)現(xiàn)其對(duì)SrBi2Ta2O9壓電陶瓷材料 的復(fù)相置換改性，在降低極化強(qiáng)度的同時(shí)，盡可能的改進(jìn)其壓電性能和介電性能。迄今為止，還未見以鋯和鉬原子取代SrBi2Ta2O9無鉛壓電陶瓷及對(duì)其壓電性能影 響的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于利用金屬元素鋯和鉬對(duì)SrBi2 (Zra5Moa5) xTa2_x09中的Ta離子進(jìn) 行取代改性，降低其極化強(qiáng)度，提高其壓電性能，制備出一種新型的、環(huán)境友好型的鉍 層狀壓電陶瓷材料。本發(fā)明材料的組成式為SrBi2 (Zra5Moa5) xTa2_x09，其中中0眾《2。本發(fā)明材料的制備方法如下(1)按上述化學(xué)配比是進(jìn)行配料，原料選用碳酸鍶(SrCO3)、氧化鉍(Bi2O3)、 五氧化二鉭(Ta2O5)、氧化鋯(ZrO2)和氧化鉬(MoO3),其最終結(jié)構(gòu)為SrBi2 (Zra5Moa5) xTa2_x09固溶體結(jié)構(gòu)。(2)按照上述的化學(xué)式配比稱取適量的SrC03、Bi203、ZrO2> Mo03、Ta2O5等原 料，用酒精作為分散劑，利用行星球磨機(jī)球磨混料12 24小時(shí)后，出料烘干，將混合原 料進(jìn)行研磨，將所得粉料在20 30MPa的壓力條件下干壓成片，然后在800°C-1300°C下保溫敞開燒結(jié)，保溫時(shí)間為0.1-6小時(shí)，升溫速率為1 20°C /min。本發(fā)明的效果是通過Zr4+和Mo6+對(duì)SrBi2 (Zra5Moa5) xTa2_x09中的Ta5+進(jìn)行取 代改性，通過分析對(duì)比不同摻雜配比以及燒成溫度對(duì)其壓電性能的影響，獲得一種相對(duì) 低介電常數(shù)ε、低介電損耗值tanS、高壓電常數(shù)d33的新型優(yōu)性能無鉛壓電陶瓷材料， 以滿足生產(chǎn)生活的需要。具體實(shí)施步驟下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明的特點(diǎn)做進(jìn)一步描述書，但并非僅僅局限于下述實(shí)施 例。實(shí)施例1 本發(fā)明以SrCO3 (分析純)、Bi2O3 (分析純)、ZrO2 (分析純)、MoO3 (分析純) 和Ta2O5 (分析純)為原料，按照化學(xué)計(jì)量式取χ = 0.1，a = 0.05。然后計(jì)算各原料的質(zhì) 量并進(jìn)行配料，用酒精作為球磨介質(zhì)，利用行星球磨機(jī)球磨混料12小時(shí)，出料烘干，將 混合原料進(jìn)行研磨，將所得粉料在30MPa的壓力條件下干壓成片，然后在IOOiTC下敞開 燒結(jié)，保溫3小時(shí)成瓷，升溫速率為5°C/min。將燒成好的陶瓷圓片雙面平行拋光至厚 度為0.5mm左右，用超聲清洗干凈后，雙面涂銀電極，在硅油中加電壓進(jìn)行極化。極化 條件為40°C硅油中，加4kV/mm電壓維持5分鐘。SrBi2(Zra5Moa5)aiTai.909無鉛壓電陶瓷樣品所測(cè)得性能為壓電常數(shù)d33 = 20pC/ N，介電常數(shù)ε =185，機(jī)電耦合系數(shù)Kp = 5.2%，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm = 2960。實(shí)施例2:本發(fā)明以SrCO3 (分析純)、Bi2O3 (分析純)、ZrO2 (分析純)、MoO3 (分析純) 和Ta2O5 (分析純)為原料，按照化學(xué)計(jì)量式取χ = 0.1，a = 0.05。然后計(jì)算各原料的質(zhì) 量并進(jìn)行配料，用酒精作為球磨介質(zhì)，利用行星球磨機(jī)球磨混料12小時(shí)，出料烘干，將 混合原料進(jìn)行研磨，將所得粉料在30MPa的壓力條件下干壓成片，然后在1050°C下敞開 燒結(jié)，保溫3小時(shí)成瓷，升溫速率為5°C/min。將燒成好的陶瓷圓片雙面平行拋光至厚 度為0.5mm左右，用超聲清洗干凈后，雙面涂銀電極，在硅油中加電壓進(jìn)行極化。極化 條件為40°C硅油中，加4kV/mm電壓維持5分鐘。本條件下，SrBi2(Zra5M0a5)aiTV9O9無鉛壓電陶瓷樣品所測(cè)得性能為壓電常 數(shù)d33=17pC/N，介電常數(shù)ε =180，機(jī)電耦合系數(shù)Kp = 5.4%，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm = 2610。實(shí)施例3 本發(fā)明以SrCO3 (分析純)、Bi2O3 (分析純)、ZrO2 (分析純)、MoO3 (分析純) 和Ta2O5 (分析純)為原料，按照化學(xué)計(jì)量式取χ = 0.1，a = 0.05。然后計(jì)算各原料的質(zhì) 量并進(jìn)行配料，用酒精作為球磨介質(zhì)，利用行星球磨機(jī)球磨混料12小時(shí)，出料烘干，將 混合原料進(jìn)行研磨，將所得粉料在30MPa的壓力條件下干壓成片，然后在IlOiTC下敞開 燒結(jié)，保溫3小時(shí)成瓷，升溫速率為5°C/min。將燒成好的陶瓷圓片雙面平行拋光至厚 度為0.5mm左右，用超聲清洗干凈后，雙面涂銀電極，在硅油中加電壓進(jìn)行極化。極化 條件為40°C硅油中，加4kV/mm電壓維持5分鐘。本條件下，SrBi2(Zra5M0a5)aiTV9O9無鉛壓電陶瓷樣品所測(cè)得性能為壓電常 數(shù)d33=18pC/N，介電常數(shù)ε =183，機(jī)電耦合系數(shù)Kp = 6.0%，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm =
42390。
權(quán)利要求
1.摻雜鋯和鉬的SrBi2(Zr0.5Mo0.5)xTa2_xO9體系鉍層狀無鉛壓電陶瓷，其特征在于化學(xué)式為SrBi2 (Zra5Moa5) xTa2_x09，其中 0眾《2。
2.一種按權(quán)利要求1所述的摻雜鋯和鉬的鉍層狀無鉛壓電陶瓷材料的制備方法，包括 配料、混料、干燥、研磨、干壓成型、燒結(jié)、拋光、電極化等步驟，其特征在于(1)按照化學(xué)式SrBi2(Zra5Moa5) xTa2_x09配取基本原料，其中0《x《2 ；(2)燒結(jié)溫度為800°C-1300°C,保溫時(shí)間為0.1-6小時(shí)。
3.按照權(quán)利要求2所述的摻雜鋯和鉬的鉍層狀無鉛壓電陶瓷材料的制備方法，其特征 在于采用 SrC03、Bi2O3> ZrO2> Mo03、Ta2O5 等為原料。
4.按照權(quán)利要求2所述的摻雜鋯和鉬的鉍層狀無鉛壓電陶瓷材料的制備方法，其特征 在于混料采用行星球磨工藝，以酒精為球磨介質(zhì)。
5.按照權(quán)利要求2所述的摻雜鋯和鉬的鉍層狀無鉛壓電陶瓷材料的制備方法，其特征 在于干壓成型壓力為0.1 lOOMPa。
6.按照權(quán)利要求2所述的摻雜鋯和鉬的鉍層狀無鉛壓電陶瓷材料的制備方法，其特征 在于采用敞開煅燒合成的方法，其燒結(jié)溫度為800°C-1300°C，保溫時(shí)間為0.1-6小時(shí)。
7.按照權(quán)利要求1或2所述的制備摻雜鋯和鉬的鉍層狀無鉛壓電陶瓷材料，其主要應(yīng) 用于制備各種形狀的壓電陶瓷元件或組裝成各類壓電傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種摻鋯和鉬的鉍層狀無鉛壓電陶瓷及其制備方法，屬于壓電陶瓷材料領(lǐng)域。本發(fā)明采用SrBi2Ta2O9體系無鉛壓電陶瓷材料為基體，在Ta位按一定的摩爾比值摻入Zr和Mo，按照固相工藝制備方法，制備出此種新型壓電陶瓷材料，其組成為SrBi2(Zr0.5Mo0.5)xTa2-xO9，其中0≤x≤2。該種材料在SrBi2Ta2O9基礎(chǔ)上提高了壓電常數(shù)，降低了介電常數(shù)，同時(shí)還具有低的機(jī)電耦合系數(shù)、高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，是一種能夠應(yīng)用于制備各類壓電陶瓷元件及組裝成各類壓電傳感器的優(yōu)良無鉛壓電陶瓷材料。
文檔編號(hào)H01L41/187GK102010195SQ20101027119
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者劉艷改, 房明浩, 錢小龍, 閔鑫, 黃朝暉 申請(qǐng)人:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)