一種可低溫燒結的無鉛壓電發光陶瓷粉體、陶瓷及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于無鉛壓電材料和光電材料交叉領域，具體涉及一種稀土 Er摻雜的鈦錫酸鋇可低溫燒結的無鉛壓電發光陶瓷粉體、陶瓷及其制備方法。
【背景技術】
[0002]壓電鐵電材料在信息的檢測、轉換、處理、顯示和存儲等方面具有廣泛的應用，是重要的高技術功能材料，但是目前占壓電材料主導地位的仍然是鉛含量高達70 %的鉛基壓電陶瓷鋯鈦酸鉛(PZT)。鉛基陶瓷在制備、使用和廢棄過程中對生態環境和人類健康造成嚴重危害，世界各國，如歐盟、美國和日本等先后立法，我國信息產業部也擬定了《電子信息產品污染防治管理辦法》，禁止或限制鉛在電子工業中的使用。因此，尋找能夠代替PZT的無鉛壓電材料成為電子材料領域的緊迫任務之一(硅酸鹽通報，2010，29 (3) =616-626 ;四川師范大學學報，2010，33 (I):117-131) ο根據PZT的研究經驗，為了提高無鉛壓電陶瓷的壓電性能，研究主要集中在構筑準同型相界上。研究發現，鋯鈦酸鋇鈣(Ba。.99 xCa0.01Ti0.98Zr0.0203)陶瓷在準同型相界附近獲得了極大的壓電性能d33可達400_600pC/N(Physical ReviewLetters, 2009，103:257602 !Applied Physics Letters, 2011, 99:122901) 0 然而該組分的壓電陶瓷中含有高熔點的Ca和Zr元素，導致其燒結溫度較高，一般在1400-1600°C之間。較高的燒結溫度不利于陶瓷材料的制備，也不符合節能環保的要求。尋找一種具有高壓電性能且能夠低溫燒結的陶瓷材料制備方法稱為當務之急。
[0003]上轉換發光材料是一種在紅外激光激發下能夠發射出可見光的材料，在防偽、紅外探測、三位立體顯示、短波長全固態激光器、生物標記等領域均有廣泛的應用。上轉換發光基質材料主要有氟化物、氯化物、氧化物等(《一種上轉換熒光基質材料NaYF4納米晶的制備方法》，中國發明專利，公開號CN1935938)。但是其制備工藝復雜，成本高，環境要求苛刻，且氟化物有毒性，熱穩定性和化學穩定性較差，在合成器件時難于集成。近期，鄒等人在稀土Pr摻雜的(1-x)BaT13-XCaT13I丐鈦礦結構氧化物中開展了上轉換發光的研究(Journalof Applied Physics, 2013，114:073103)，在壓電和發光集成上取得了初步成果。
[0004]因此，作為一類具有極高壓電性能的無鉛壓電材料，在提高其壓電性能的同時，還能實現其高效上轉化發光，是極具研究意義和應用價值的材料。據所查到的相關專利和文獻中，未見稀土氧化物Er摻雜的鈦錫酸鋇陶瓷的制備和高壓電活性的相關研究。本發明是一種具有高壓電性能和發光性能的新型多功能材料，組分簡單，燒結溫度低，在微機電、光電集成、光電傳感器等領域具有廣泛的應用前景。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種稀土 Er摻雜的鈦錫酸鋇可低溫燒結的無鉛壓電發光陶瓷粉體、陶瓷及其制備方法，所述無鉛壓電發光陶瓷的組分簡單，可在低溫下燒結獲得，在保持高壓電性能的同時，具有高效的上轉換發光特性。本發明的稀土 Er摻雜的鋯鈦酸鋇無鉛壓電發光壓材料電性能熱穩定性、化學穩定性好，發光強度高，且為單一綠色光，材料易于合成，成本低廉。
[0006]為實現上述目的及其他相關目的，本發明第一方面提供一種無鉛壓電發光陶瓷粉體，其化學通式為 ErxBa1 xTiQ.96SnaQ403，其中 x = 0.1 ?1.2%。
[0007]上述化學通式ErxBa1 xTia96SnaM03中，元素右下標數字及字母均代表各對應元素的摩爾比例關系。
[0008]X 可為 0.1 ?0.2%、0.2 ?0.4%、0.4 ?0.5%、0.5 ?0.6%、0.6 ?0.8%、0.8 ?
1.0%或 1.0 ?1.
[0009]優選的，x= 0.1%、0.2%、0.4%、0.5%、0.6%、0.8%、1.0%或 1.2%0
[0010]本發明第二方面提供一種無鉛壓電發光陶瓷，其化學通式為ErxBa1 xTi0.96Sn0.0403^其中 X = 0.1 ?1.2%。
[0011]上述化學通式ErxBa1 xTia96SnaM03中，元素右下標數字及字母均代表各對應元素的摩爾比例關系。
[0012]X 可為 0.1 ?0.2%、0.2 ?0.4%、0.4 ?0.5%、0.5 ?0.6%、0.6 ?0.8%、0.8 ?
1.0%或 1.0 ?1.
[0013]優選的，χ= 0.1%、0.2%、0.4%、0.5%、0.6%、0.8%、1.0%或 1.2%。
[0014]本發明第三方面提供一種無鉛壓電發光陶瓷粉體的制備方法，包括如下步驟:
[0015]I)按上述化學通式中元素的化學計量比稱取原料:含Ba化合物、含Sn化合物、含Ti化合物和含Er化合物；
[0016]2)將步驟I)中稱取的原料以溶劑為介質球磨，獲得漿料；
[0017]3)將所述漿料進行烘干、預燒，即得化學通式為ErxBa1 xTiQ.96S%Q403的無鉛壓電發光陶瓷粉體。
[0018]優選的，所述含Ba化合物為BaCO3。
[0019]優選的，所述含Sn化合物為SnO2。
[0020]優選的，所述含Ti化合物為Ti02。
[0021]優選的，所述含Er化合物為Er203。
[0022]優選的，所述步驟2)中，球磨的時間為4_6h。更優選的，球磨的時間為6h。
[0023]優選的，所述步驟2)中，所述溶劑選自無水乙醇或去離子水。
[0024]優選的，所述步驟3)中，所述烘干的條件為:在80?100°C下保溫烘干8?12h。
[0025]優選的，所述步驟3)中，所述預燒的條件為:預燒溫度為900?1200°C，預燒時間為4?8h。
[0026]更優選的，預燒溫度為1100°C。
[0027]更優選的，預燒時間為6h。
[0028]本發明第四方面提供一種無鉛壓電發光陶瓷的制備方法，包括如下步驟:將無鉛壓電發光陶瓷粉體添加粘結劑造粒，壓制成型，排粘，燒結，即得化學通式為ErxBa1 xTia96S%(]403的無鉛壓電發光陶瓷，所述無鉛壓電發光陶瓷粉體為上述無鉛壓電發光陶瓷粉體或上述制備方法制得的無鉛壓電發光陶瓷粉體。
[0029]優選的，所述粘結劑選自聚乙烯醇縮丁醛(PVB)或聚乙烯醇(PVA)。
[0030]優選的，所述粘結劑的用量為所述無鉛壓電發光陶瓷粉體的5?Swt %。更優選的，所述粘結劑的用量為所述無鉛壓電發光陶瓷粉體的6wt%。
[0031]優選的，所述壓制成型的相對壓強為100?200MPa。更優選的，所述壓制成型的相對壓強為150MPa。可在100?200MPa的相對壓強下壓制成直徑10mm，厚度Imm的圓片。
[0032]優選的，所述燒結的條件為:在空氣中于1200?1400°C燒結2?6h。更優選的，所述燒結的條件為:在空氣中于1300°C燒結4h。
[0033]本發明采用壓電陶瓷制備技術和工業原料獲得，該體系的主晶相為鈣鈦礦結構，本發明制備的ErxBa1 xTia96Sna(]403陶瓷材料，通過稀土 Er摻雜將正交相向四方相轉變峰前移，陶瓷處于單一相結構，獲得了較好的壓電性能溫度穩定性。壓電常數d33均大于200pC/N，最高可達400pC/N。同時，本發明為紅外光激發的上轉換發光材料，發光強度高，在波長980nm的紅外光激發下具有很強的上轉換發光特性，且為單一綠色光，發光強度可調。本發明的制備工藝穩定可靠，是一種新型多功能的高效壓電、光電材料，在微機電、光電集成、傳感器等領域具有廣泛的應用前景。
【附圖說明】
[0034]圖1是實施例一至實施例八樣品的XRD譜圖；
[0035]圖2是實施例一至實施例八樣品的電滯回線和壓電常數隨組分變化關系圖；
[0036]圖3是實施例一至實施例八樣品在波長980nm紅外光激發下的發光圖譜；
[0037]圖4是實施例一至實施例八樣品在波長980nm紅外光激發下發出的單一綠色光照片。
[0038]【附圖說明】:圖4灰色部分的顏色為綠色。
【具體實施方式】
[0039]下面結合具體實施例進一步闡述本發明，應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的保護范圍。
[0040]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明