一種鈦酸鉍鈉基無鉛電致伸縮陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電致伸縮陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種鈦酸鉍鈉基無鉛電致伸縮陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電致伸縮是一種基本的機(jī)電耦合效應(yīng)，它存在于一切固態(tài)物質(zhì)之中。早期由于電致伸縮效應(yīng)一般較小，不易被觀察到，即使電場強(qiáng)度達(dá)到擊穿場強(qiáng)，介質(zhì)的場致應(yīng)變也只是108數(shù)量級，較之于壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)(10 6)小得多，所以在簡單的固態(tài)物質(zhì)中研究得很少。
[0003]與壓電效應(yīng)相比，電致伸縮材料具有不需要極化、重復(fù)性好、無老化等優(yōu)點(diǎn)，所以在微位移器件、換能器等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。目前發(fā)現(xiàn)在一些高介電常數(shù)的弛豫鐵電體中，電致伸縮效應(yīng)顯著并可以應(yīng)用于應(yīng)用中，并且當(dāng)溫度處于其鐵電-順電相轉(zhuǎn)變區(qū)域附近時(shí)，電致伸縮效應(yīng)具有最大值。目前應(yīng)用的最多的是含鉛弛豫鐵電體，典型的如鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛(PZN-PT)，鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)為代表的一類復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的固溶體晶體，它們會(huì)因高的燒結(jié)溫度導(dǎo)致鉛揮發(fā)。因此，開發(fā)無鉛電致伸縮材料是材料學(xué)領(lǐng)域最重要的研究課題。
[0004]常見的無鉛弛豫鐵電晶體有鈮酸鉀鈉基(KNN)、鈦酸鉍鈉(BNT)基弛豫鐵電材料。其中KNN基無鉛壓電陶瓷，由于其居里溫度高(T。= 420°C )、介電常數(shù)低、壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)高等特性，被認(rèn)為是一種很有前途取代PZT的壓電材料，但是由于其差的燒結(jié)特性，和在潮濕的環(huán)境中容易發(fā)生潮解，限制了該類材料的應(yīng)用[I]。
[0005]CN201210251531專利提出了一種無鉛電致伸縮陶瓷材料及其制備方法，它是將鈮酸鉀鈉基(KNN)和鈦酸鉍鈉(BNT)組合起來，其在70kV/cm電場下電致伸縮應(yīng)變水平為?
0.137%。
[0006]CN201210336994專利提出了無鉛的鐵電/電致伸縮陶瓷材料，它是將鈦酸鉍鈉(BNT)和鈦酸鉍鍶組合起來，其在80kV/cm電場下電致伸縮應(yīng)變水平為?0.1%。
[0007]穆文芳等[2]報(bào)道了(Bia5Naa5)T13-BaT13-SrT13(BNT-BT-ST)陶瓷在準(zhǔn)同型相界附近具有較高的彌散程度。Zhao [3]報(bào)道了 BNT-ST系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)在ST摩爾含量為0.26處存在準(zhǔn)同型相界，在ST摩爾含量從O至0.3范圍內(nèi)均有一定的弛豫性。
[0008]參考文獻(xiàn):
[0009][I]L.Egerton, D.M.Dillon, Piezoelectric and dielectric propertiesof ceramics in the system potassium — sodium n1bate J.Am.Ceram.Soc.1959,42:438-442.
[0010][2]穆文芳，杜慧玲，史翔，杜少明，BNT-BT-ST系無鉛壓電陶瓷材料的介電與鐵電特性[J].硅酸鹽學(xué)報(bào).2011，39:12
[0011][3]Zhao XL,Yang WZj Liu XQj Chen XM.Dielectric and ferroelectriccharacteristics of [ (Bi0 5Na0 5) 0 94Ba0 06]! xSrxTi03 ceramics.Journal of MaterialsScience!Materials in Electronics.2014 ；25:1517-26.
[0012]相關(guān)專利:
[0013][1]CN200910021571 一種大應(yīng)變電致伸縮陶瓷材料及其制備方法；
[0014][2]CN201210240525 —種具有高電致伸縮系數(shù)的鈦酸鉍鈉基無鉛陶瓷及其制備方法;
[0015][3]CN201210251531 一種無鉛電致伸縮陶瓷材料及其制備方法；
[0016][4]CN201210336994無鉛的鐵電/電致伸縮陶瓷材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明的目的在于提供一種新型、無鉛、應(yīng)變量大的電致伸縮材料，解決現(xiàn)有鉛基電致伸縮材料生產(chǎn)過程中存在的公害問題，并開發(fā)其在換能器和微位移器件方面的應(yīng)用。
[0018]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明提出一種無鉛電致伸縮材料，其化學(xué)組成式為(1-X)(Naa5Bia5)T13-XSrT13-0.0lKNb03-ySm203_zY203式中 x = 0.45 ?0.60，y = 0.01 ?0.02，z = 0.01 ?0.04 ；x, y, z 分別表示 SrT13, Sm2O3, Y2O3相對于主成分(l-χ) (Naa5Bia5)T13-XSrT13 的摩爾比。
[0019]本發(fā)明采用固相法合成，原料為分析純NaCO3, K2CO3, Bi2O3, T12, SrCO3, Sm2O3, Nb2O5和 Y2O30
[0020]本發(fā)明的制備方法為:
[0021]1.將分析純原料NaCO3, Bi2O3, T12按照(Na 0.5Bi0.5) T13化學(xué)計(jì)量比稱量，進(jìn)行混合球磨，球磨介質(zhì)為乙醇，轉(zhuǎn)速為350?400r/min，球磨時(shí)間為8?10h。
[0022]將球磨好的漿料洗出，置于100°C烘箱內(nèi)烘干，碾磨壓實(shí)，置于馬弗爐中勻速升溫至800?900°C，升溫速率為3°C /min,保溫2?8h，爐內(nèi)冷卻至室溫，碾磨得到粉體A。
[0023]2.將分析純原料SrCO3, 1102按照SrT1 3的化學(xué)計(jì)量比稱量，進(jìn)行混合球磨，球磨介質(zhì)為乙醇，轉(zhuǎn)速為350?400r/min，球磨時(shí)間為8?10h。
[0024]將球磨好的漿料洗出，置于100°C烘箱內(nèi)烘干，碾磨壓實(shí)，置于馬弗爐中勻速升溫至1150?1200°C，升溫速率為3°C /min，保溫2?8h，爐內(nèi)冷卻至室溫，碾磨得到粉體B。
[0025]3.將分析純原料K2CO3, Nb2O5按照KNbO 3的化學(xué)計(jì)量比稱量，進(jìn)行混合球磨，球磨介質(zhì)為乙醇，轉(zhuǎn)速為350?400r/min，球磨時(shí)間為8?10h。
[0026]將球磨好的漿料洗出，置于100°C烘箱內(nèi)烘干，碾磨壓實(shí)，置于馬弗爐中勻速升溫至750?850°C，升溫速率為3°C /min，保溫2?8h，爐內(nèi)冷卻至室溫，碾磨得到粉體C。
[0027]4.將粉體A，B，C，Sm2O3和Y2O3按合成通式的化學(xué)計(jì)量比在乙醇介質(zhì)中球磨得到楽料，置于80?100°C烘箱中烘干，碾磨，得到粉體D ;其中X = 0.45?0.60，y = 0.01?0.02，z = 0.01 ?0.04。
[0028]5.向粉體D中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為總粉體質(zhì)量的3?5%、質(zhì)量濃度為5%的聚乙烯醇溶液造粒，然后在8?1Mpa壓力下壓制成直徑為10?12mm、厚度為0.8?Imm的小圓片，于600?650°C排膠6?8h，所得圓片在1180?1220°C燒結(jié)2?4h，爐內(nèi)冷卻至室溫，即得到燒成陶瓷。
[0029]6.對樣品進(jìn)行表面處理，用2000目砂紙拋光，清洗，烘干之后，均勻刷上有機(jī)銀漿，在800?830°C燒銀，時(shí)間為10?15分鐘。之后爐內(nèi)冷卻得到含有電極的陶瓷樣片。
[0030]本發(fā)明的電致伸縮材料在室溫下具有立方結(jié)構(gòu)；介電峰在20?50°C溫度范圍內(nèi)有良好的介電弛豫性能，彌散系數(shù)γ大于1.9;室溫IkHz下介電常數(shù)大于3500，介電損耗低于0.02 ;電滯回線細(xì)長，在40kv/cm電場下最大應(yīng)變量為0.3%。
[0031]本發(fā)明的原理是這樣的。我們在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)(1-X)Bia5Naa5T13-X(SrT13)系統(tǒng)中ST摩爾含量在0.45至0.60的范圍內(nèi)，通過稀土元素?fù)诫s可以實(shí)現(xiàn)大的室溫弛豫性，從而實(shí)現(xiàn)在大的室溫電致伸縮效應(yīng)。本發(fā)明的室