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，經過球磨、烘干，于850℃預燒，再經過二次球磨、烘干、造粒、成型、排膠后，于1100～1200℃燒結，再經過被銀與極化后，制得無鉛壓電陶瓷。本發明材料的主晶相為鈣鈦礦結構，在每毫米6.5千伏的電場下存在最大0.37％的應變，具有較好的壓電性能，且制備工藝穩定，可重復，具有實用性。該無鉛壓電陶瓷材料可用于壓電打火機、驅動器、傳感器等多種領域。
【專利說明】
一種鈦酸鉍鈉體系無鉛壓電陶瓷及其制備方法
技術領域
[0001]本發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】
[0002]壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料，是一類重要的電功能材料，廣泛應用于驅動器、傳感器、換能器等多種器件的制作，其應用領域涉及到機械、電子、通訊、精密控制、國防軍事等各個方面。
[0003]由于鉛基壓電陶瓷具有大的電致應變特性，因而長久以來含鉛電致應變材料在電子信息產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、使用及廢棄過程中，會給人類的生態環境造成嚴重后果。各主要工業國及我國政府都頒布了相應的法律法規，限制或在不久的將來全面禁止含鉛等有害物質在電子信息產品中的使用。因此研究和開發無鉛的電致應變材料是一項重要而緊迫的課題。
[0004]由于BiQ.5NaQ.5Ti03(BNT)基無鉛壓電陶瓷具有很高的剩余極化強度和較高的居里溫度被認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強大、漏電流高、化學穩定性差、難以獲得致密陶瓷體等不足，為了提高陶瓷的壓電性能，添加第二組元進行摻雜改性發展了二元、三元體系，且研究表明其具有比純BNT體系陶瓷更好的燒結特性和壓電性能，獲得了良好的電致應變效應。然而，BNT基無鉛壓電陶瓷的綜合壓電性能還相對偏低，為了獲得更優的電致應變效應，對于鈦酸鉍鈉體系進行Li等價摻雜的研究鮮有報道。
【發明內容】
[0005]本發明的目的，是克服現有技術的缺點和不足，提供一種具有良好的壓電性能、燒結性能穩定的鈦酸鉍鈉體系壓電陶瓷制備及其制備方法。
[0006]本發明通過如下技術方案予以實現。
[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 的化學計量比稱取原料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為球磨介質進行球磨，再將球磨后的料漿于80°C烘干；
[0011](2)預燒
[0012]將步驟(I)烘干后的粉料放入氧化鋁坩禍內，置于馬弗爐中于850°C預燒，保溫5h，然后自然冷卻至室溫，再將預燒后的粉料置于球磨機中進行二次球磨，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，外加質量百分比含量為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，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
[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，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行清潔處理后，采用絲網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:無水乙醇質量比為2:1:0.5，球磨機轉速為800轉/分，球磨時間為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)的燒結溫度為1160°C?1180°C，保溫2h。
[0029]所述步驟(8)的極化時間為10?30min，極化電場為2?4kV/mm。
[0030]本發明的優點在于，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，僅包含鈣鈦礦結構，無雜相出現，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變，最優性能的壓電陶瓷在每毫米6.5千伏下存在大應變0.37%和小的彌散損耗能，在單極和雙極電場下具有高的Smax/Emax，分別為580pm/V和480pm/V。
[0031]本發明制備的無鉛壓電陶瓷生產成本低，壓電性能好，是一種具有發展前景的作為致動器或傳感器的陶瓷體系。
【附圖說明】
[0032]圖1是本發明實施例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是本發明實施例1-4制得的不同組分無鉛壓電陶瓷單極電致應變曲線。
【具體實施方式】
[0034]下面結合具體實施例和附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0035]本發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 的化學計量比稱取原料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為球磨介質，在每分鐘為800轉的轉速下球磨5h，再將球磨后的料漿置于烘箱內80°C下烘干；
[0039](2)預燒
[0040]將步驟(I)烘干后的粉料放入氧化鋁坩禍內，在馬弗爐中于850°C預燒，保溫5h，然后自然冷卻至室溫，再將預燒后的粉料置于球磨機中進行二次球磨，即每分鐘為800轉的轉速下球磨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，外加質量百分比為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，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
[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，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行清潔處理后，采用絲網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行極化處理，極化電場為3kV/mm，極化時間為15min，即得到鈦酸祕鈉體系壓電陶瓷元件。
[0053]通過XRD分析本實驗制備的壓電陶瓷，檢測結果如圖1所示，表明本實驗制備壓電陶瓷為單一鈣鈦礦結構。
[0054]檢測性能如下:
[0055]d33(pC/N) er tan5
[0056]1981227 0.031
[0057]實施例2
[0058]實施例2的原料組成的化學計量比，其中的x= 0.025，其它工藝條件與實施例1相同。
[0059]通過XRD分析本實驗制備的壓電陶瓷，表明該壓電陶瓷為單一鈣鈦礦結構。
[0060]檢測性能如下:
[0061]d33(pC/N) er tan5
[0062]2101207 0.030
[0063]實施例3
[0064]實施例3的原料組成的化學計量比，其中的x= 0.045，其它工藝條件與實施例1相同。
[0065]通過XRD分析本實驗制備的壓電陶瓷，表明該壓電陶瓷為單一鈣鈦礦結構。
[0066]檢測性能如下:
[0067]d33(pC/N) er tan5
[0068]2051347 0.043
[0069]實施例4
[0070]實施例4的原料組成的化學計量比，其中的x= 0.065，其它工藝條件與實施例1相同。
[0071]通過XRD分析本實驗制備的壓電陶瓷，表明該壓電陶瓷為單一鈣鈦礦結構。
[0072]檢測性能如下:
[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生鐵電相到弛豫相的轉變，實施例4壓電陶瓷弛豫相占主導地位。因此該壓電陶瓷能在電場下產生更大的應變響應。
[0076]圖2為本實驗制備無鉛壓電陶瓷實施例1-4的單極電致應變曲線。在每毫米5.5千伏的電場下，實施例1-3產生0.18?0.19%的應變。實施例4存在優于實施例1-3的應變，為
0.28%,該壓電陶瓷在每毫米6.5千伏的電場下存在0.37 %的大應變和小的彌散損耗能。在單極和雙極電場下，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、驅動器、傳感器等多種領域。
【主權項】
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 的化學計量比稱取原料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為球磨介質進行球磨，再將球磨后的料漿于80 0C烘干； (2)預燒 將步驟(I)烘干后的粉料放入氧化鋁坩禍內，置于馬弗爐中于850°C預燒，保溫5h，然后自然冷卻至室溫，再將預燒后的粉料置于球磨機中進行二次球磨，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，外加質量百分比含量為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，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 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，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行清潔處理后，采用絲網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.根據權利要求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:無水乙醇質量比為2:1:0.5,球磨機轉速為800轉/分，球磨時間為5h。3.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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)的燒結溫度為1160°C?1180°C，保溫2h。6.根據權利要求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)的極化時間為10?30min，極化電場為2?4kV/mm。
【文檔編號】C04B41/90GK105837205SQ201610176667
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月24日
【發明人】戴葉婧, 尹東升, 趙志浩
【申請人】天津大學