CN101537494A

CN101537494A - 一种镍颗粒分散锆钛酸钡钙压电复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN101537494A
Application number: CN200910082788A
Authority: CN
Inventors: 张海龙; 张素伟; 张波萍
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2009-04-29
Filing date: 2009-04-29
Publication date: 2009-09-23
Anticipated expiration: 2029-04-29
Also published as: CN101537494B

Abstract

本发明公开了一种镍颗粒分散锆钛酸钡钙压电复合材料的制备方法，属于压电复合材料技术领域。首先以碳酸钡、二氧化钛、碳酸钙和氧化锆为原料利用氧化物混合法合成锆钛酸钡钙粉末，然后将锆钛酸钡钙粉末与纯金属镍粉均匀混合、压模成型后通过控制气氛烧结制备锆钛酸钡钙/镍压电复合材料，其中镍的含量为1～20vol％，保护气氛中的氧含量为0.0003～0.5％，通入气体压力为1.1～1.5个大气压。本发明通过控制气氛氧分压实现了钛酸钡基无铅压电陶瓷与普通金属镍的复合烧结，具有合成工艺简单、成本低廉、无环境污染等优点。

Description

一种镍颗粒分散锆钛酸钡钙压电复合材料的制备方法

技术领域

本发明提供一种金属颗粒分散压电陶瓷复合材料的制备方法，主要涉及压电复合材料技术领域。具体涉及氧化物掺杂改性的碳酸钡(BaTiO₃)基无铅压电陶瓷与金属镍复合的压电复合材料及其制备方法。

背景技术

压电复合材料是指压电相材料和非压电相材料按照一定的连通方式构成的一种具有压电效应的复合材料。由于压电复合材料具有优良的综合性能和可设计性，引起各国学者的极大兴趣并在实际生产中获得应用。压电陶瓷的工作原理依赖于机电耦合效应，在变形过程中需要承受较大的应力变形，然而压电陶瓷的机械性能普遍较差。研究表明，以非压电金属颗粒作为第二相弥散分布在压电陶瓷基体中可大幅度提高力学性能。有关报道将金属铂(Pt)或银(Ag)分散在锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷中制备压电复合材料(J.-F.Li，et al.，Appl.Phys.Lett.，2001，79，2441～2443；H.L.Zhang，et al.，J.Am.Ceram.Soc.，2006，89，1300～1307)，发现非压电的金属第二相的加入可以合理调控所形成复合材料的压电性能并形成梯度变化，而且金属颗粒的弥散分布大幅度提高了复合材料的力学性能。目前这种金属颗粒分散压电陶瓷复合材料已成功应用于功能梯度结构的压电陶瓷驱动器(张海龙等，一种功能梯度结构的压电驱动器件及其制备方法，专利授权号ZL200610114005.2)。然而，由于Pt或Ag昂贵的价格使得PZT/Pt或PZT/Ag压电复合材料难以在一般性场合推广使用。当压电陶瓷与Cu、Ni等普通金属进行复合烧结时则存在如下问题：若在空气中烧结，普通金属会被氧化为金属氧化物而难以有效增韧压电陶瓷；若为避免普通金属的氧化而在还原气氛中烧结，PZT等钙钛矿结构的压电陶瓷将会脱氧形成氧空位或产生焦绿石相而大幅降低压电性能，因此陶瓷/金属压电复合材料的烧结制备面临尚待解决的难题。此外，PZT等含铅材料的使用对环境造成危害。

近年来，无铅压电陶瓷BaTiO₃体系所报道的压电常数逐年攀高，邵守福等人(S.F.Shao，et al.，J.Phys.D：Appl.Phys.，2008，41，125408)采用传统的固相反应法制备的BaTiO₃陶瓷压电常数d₃₃高达419pC/N，相对密度也大于96％，这使得钛酸钡基无铅压电陶瓷逐步替代PZT等含铅材料成为可能。但传统的BaTiO₃陶瓷在高温及中性或还原性气氛下，由于Ti⁴⁺变价会被还原从而半导体化，导致电子电导急剧增加，损耗也异常增大。因此，BaTiO₃陶瓷尚不能直接与贱金属在还原气氛中烧结复合。研究表明，在BaTiO₃系中加入适量的ZrO₂和CaCO₃可显著提高陶瓷的抗还原性(姜琳等，天津大学学报，2000，33，631～633)；当Zr⁴⁺的掺杂摩尔分数为12％时，BaTiO₃陶瓷的抗还原性能最佳(易可等，压电与声光，2003，25，396～399)。镍是一种广泛用作电子元器件的电极材料的高熔点金属，它作为内电极与掺杂改性BaTiO₃陶瓷复合制作多层陶瓷电容器(MLCC)已是一种比较成熟的技术。然而，关于镍颗粒作为分散相与掺杂改性BaTiO₃陶瓷复合制备压电复合材料，用于压电驱动器的研究尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镍颗粒分散锆钛酸钡钙压电复合材料的制备方法，利用普通金属镍取代铂、银等贵金属，降低生产成本。

一种镍颗粒分散锆钛酸钡钙压电复合材料的制备方法，制备步骤如下：

(1)采用碳酸钡、二氧化钛、碳酸钙和氧化锆作为初始原料，按原子比进行配料，化学式为(Ba_1-xCa_x)(Ti_1-yZr_y)O₃(0.01≤x≤0.08；0.05≤y≤0.15)，经球磨混合、焙烧，获得(Ba，Ca)(Ti，Zr)O₃(锆钛酸钡钙)陶瓷粉末；

(2)将锆钛酸钡钙粉末与纯金属镍粉按比例混合，并在混合粉末中加入聚乙烯醇的水溶液作为粘结剂在研钵中至少研磨30min，锆钛酸钡钙粉末与纯金属镍粉混合比例为：99～80∶1～20vol％，聚乙烯醇的水溶液中聚乙烯醇含量为1～5wt％；

(3)将锆钛酸钡钙/镍混合粉末装入模具中，在80～130MPa下压模成型；

(4)将模压成型后的产品放入坩锅内置于气氛炉中，从室温开始以15～20℃/min的速率升温至600～700℃保温0.5～1.5h排胶，然后再以同样的速率升温至1300～1400℃保温1～2h进行烧结，随炉冷却，获得锆钛酸钡钙/镍复合材料。整个烧结过程中，在加热炉内通入氧含量为0.5％(氧分压值5×10²Pa，工业氮气)至0.0003％(氧分压值3×10^-1Pa，高纯氮气)的保护气氛，通入气体压力为1.1～1.5个大气压(0.11～0.15MPa)。

如上所述获得的锆钛酸钡钙/镍复合材料仅包含锆钛酸钡钙和镍两相，金属分散相镍的含量在1～20vol％之间，复合材料的致密度在85～98％之间。

本发明的优点在于：采用掺杂改性后抗还原能力获得提高的锆钛酸钡钙和普通金属镍为原料，在烧结过程中通过控制烧结气氛的氧分压，既避免锆钛酸钡钙的脱氧变质，又避免镍的氧化，从而制备出仅含锆钛酸钡钙压电相和镍非压电相的压电复合材料，X射线衍射结果如图1和图2所示。对比实验表明，若将锆钛酸钡钙/镍复合坯体直接在空气中烧结，则金属镍完全氧化为NiO相，如图3所示。与先前报道的PZT/Pt或PZT/Ag压电复合材料相比，本发明以Ni代替Pt或Ag降低了生产成本，以锆钛酸钡钙代替PZT减少了环境污染。以金属镍作为非压电相制备的锆钛酸钡钙/镍压电复合材料还具有以下突出优点：第二相镍对锆钛酸钡钙陶瓷基体的弥散强化和阻裂增韧效应，能够大幅提高压电复合材料的机械性能；第二相镍的含量变化可以调控锆钛酸钡钙陶瓷的压电性能并形成梯度变化，适合制作功能梯度结构的压电陶瓷驱动器。本发明所提出的锆钛酸钡钙/镍压电复合材料制备工艺相对简单、生产成本较低、无环境污染，因而具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为锆钛酸钡钙压电陶瓷加入5％镍在工业氮气气氛中烧结后的X射线衍射图谱。

图2为锆钛酸钡钙压电陶瓷加入5％镍在高纯氮气气氛中烧结后的X射线衍射图谱。

图3为锆钛酸钡钙压电陶瓷加入5％镍在空气中烧结后的X射线衍射图谱。

具体实施方式

本发明所使用的碳酸钡(BaCO₃)、二氧化钛(TiO₂)、碳酸钙(CaCO₃)、氧化锆(ZrO₂)、镍(Ni)等原料均为市售。

实施例1：

以市售的BaCO₃(广东西陇化工有限公司，纯度＞99.0％)、TiO₂(广东西陇化工有限公司，纯度＞99.0％)、CaCO₃(广东西陇化工有限公司，纯度＞99.0％)、ZrO₂(广东西陇化工有限公司，纯度＞99.0％)、Ni粉(北京百灵威化学技术有限公司，纯度＞99.9％，粒度～325目)为原料，首先按照化学式(Ba_0.95Ca_0.05)(Ti_0.88Zr_0.12)O₃进行配料、混合、煅烧、粉碎，再按照99vol％锆钛酸钡钙-1vol％镍配比混合粉末，在80MPa下压模成型，将模压后的产品放入坩锅并置于加热炉内，从室温开始以15℃/min的速率升温至650℃排胶1h，再以15℃/min的速率升温至1300℃保温1h，随炉冷却。整个烧结过程中通入工业氮气(氧含量＜0.5％)进行保护，通入气体压力为1.5个大气压，烧结得到成分组成为99vol％锆钛酸钡钙-1vol％镍的压电复合材料，致密度约为85％。

实施例2：

以市售的BaCO₃(广东西陇化工有限公司，纯度＞99.0％)、TiO₂(广东西陇化工有限公司，纯度＞99.0％)、CaCO₃(广东西陇化工有限公司，纯度＞99.0％)、ZrO₂(广东西陇化工有限公司，纯度＞99.0％)、Ni粉(北京百灵威化学技术有限公司，纯度＞99.9％，粒度～325目)为原料，首先按照化学式(Ba_0.95Ca_0.05)(Ti_0.88Zr_0.12)O₃进行配料、混合、煅烧、粉碎，再按照95vol％锆钛酸钡钙-5vol％镍配比混合粉末，在100MPa下压模成型，将模压后的产品放入坩锅并置于加热炉内，从室温开始以18℃/min的速率升温至600℃排胶1.5h，再以18℃/min的速率升温至1350℃保温1.5h，随炉冷却。整个烧结过程中通入高纯氮气(氧含量＜0.0003％)进行保护，通入气体压力为1.1个大气压，烧结得到成分组成为95vol％锆钛酸钡钙-5vol％镍的压电复合材料，致密度约为98％。

实施例3：

以市售的BaCO₃(广东西陇化工有限公司，纯度＞99.0％)、TiO₂(广东西陇化工有限公司，纯度＞99.0％)、CaCO₃(广东西陇化工有限公司，纯度＞99.0％)、ZrO₂(广东西陇化工有限公司，纯度＞99.0％)、Ni粉(北京百灵威化学技术有限公司，纯度＞99.9％，粒度～325目)为原料，首先按照化学式(Ba_0.95Ca_0.05)(Ti_0.88Zr_0.12)O₃进行配料、混合、煅烧、粉碎，再按照80vol％锆钛酸钡钙-20vol％镍配比混合粉末，在130MPa下压模成型，将模压后的产品放入坩锅并置于加热炉内，从室温开始以20℃/min的速率升温至700℃排胶0.5h，再以20℃/min的速率升温至1400℃保温2h，随炉冷却。整个烧结过程中通入工业氮气(氧含量＜0.5％)进行保护，通入气体压力为1.3个大气压，烧结得到成分组成为80vol％锆钛酸钡钙-20vol％镍的压电复合材料，致密度约为92％。

Claims

1、一种镍颗粒分散锆钛酸钡钙压电复合材料的制备方法，其特征在于：

(1)采用碳酸钡、二氧化钛、碳酸钙和氧化锆作为初始原料，按原子比进行配料，化学式为(Ba_1-xCa_x)(Ti_1-yZr_y)O₃，0.01≤x≤0.08；0.05≤y≤0.15，经球磨混合、焙烧，获得锆钛酸钡钙陶瓷粉末；

(4)将模压成型后的产品放入坩锅内置于气氛炉中，从室温开始以15～20℃/min的速率升温至600～700℃保温0.5～1.5h排胶，然后再以同样的速率升温至1300～1400℃保温1～2h进行烧结，随炉冷却，获得锆钛酸钡钙/镍复合材料。整个烧结过程中，在加热炉内通入氧含量为0.5％的工业氮气至氧含量为0.0003％高纯氮气的保护气氛，通入气体压力为1.1～1.5个大气压，即0.11～0.15MPa。

2、如权利要求1所述镍颗粒分散锆钛酸钡钙压电复合材料的制备方法，其特征在于：锆钛酸钡钙/镍复合材料仅包含锆钛酸钡钙和镍两相，金属分散相镍的含量在1～20vol％之间，复合材料的致密度在85～98％之间。