CN101618964A - 新型铁电陶瓷铌钪酸钡-钛酸铅及其制备方法和用途 - Google Patents

新型铁电陶瓷铌钪酸钡-钛酸铅及其制备方法和用途 Download PDF

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龙西法
魏倩
王祖建
李修芝
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Abstract

本发明涉及一种新型压电陶瓷材料铌钪酸钡－钛酸铅的性能和制备方法和用途。该陶瓷具有钙钛矿型结构，其化学式为(1－x)Ba(Sc1/2Nb1/2)O3－xPbTO3，其中0≤x≤1。该陶瓷体系具有准同型相界(MPB)，其范围是0.61＜x＜0.65。该陶瓷的制备可以采用Columbite合成法或传统固相合成法。本发明制备的陶瓷属于含铅少的环保型的压电陶瓷。

Description

新型铁电陶瓷铌钪酸钡-钛酸铅及其制备方法和用途
技术领域：
本发明属于弛豫型铁电陶瓷材料领域。
背景技术：
弛豫型铁电材料由于其优异的性能在医学、国防、民用等方面有着广泛而实际的应用。近年来倍受人们关注的PMN-PT和PZN-PT就是其中的一种。由于其高的机电耦合系数(k33＞90％)和超高压电系数(d33＞2000)而成为新一代的超声换能器、传感器和驱动器的核心压电材料。但是此类材料有两个缺陷，第一，居里温度低(170℃)和MPB相变温度低(80-90℃)，因此容易退极化，实际应用的温度范围窄；第二，这类材料中含有大量的铅，在使用过程中给环境和人类健康造成危害，因此我们希望探索一种新型的高居里点、高性能的无铅、少铅弛豫铁电材料，希望其成为下一代铁电压电材料的核心材料。BMN-PT和BZN-PT作为一种少铅的弛豫型铁电材料的研究已经有报道，它在一定程度上解决了铅对环境和人类的危害问题，但是居里温度还是不够高，因此我们希望找到一种居里点更高，性能更好的固溶体系
近年来，国内外都有越来越多的关于(1-x)Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(PSN-PT)的研究。PSN-PT是一种优秀的弛豫铁电体，它有较高的居里温度(260℃)和较高的MPB相变温度(213℃)。Ba(Sc1/2Nb1/2)O3属于A(B’1/2B”1/2)O3族化合物，属于复合钙钛矿结构，室温下属于三方相，是典型的介电体，经过研究认为，它应该和稳定的四方相的PbTiO3形成完全固溶体系，并且该体系中存在MPB区域。众所周知，位于或接近MPB组成的化合物具有良好的压电和机电耦合性能。与PSN-PT相比，Ba(Sc1/2Nb1/2)O3-PbTiO3(BSN-PT)体系MPB组分的铅含量减少30％，这就会减少对人类和生态环境的危害；另一方面，随着PT含量的增加，BSN-PT呈现从普通介电体到驰豫体到普通铁电体的过渡，这为深入了解钙钛矿型铁电固溶体的结构性能研究提供了理想的研究对象。目前国内外尚未发现关于这一体系的研究报道，本发明的目的就在于研制一种新型的铁电压电陶瓷，其具有高的介电电容率，压电常数，机电耦合系数以及居里点。
因此我们开展对BSN-PT固溶体系的研究。首先应当通过陶瓷材料的制作来确定MPB区域，测定陶瓷介电、压电和铁电性能。然后研究MPB区域组分的单晶生长、结构和性能，并且系统研究该体系的结构与性能之间的关系，为探索新型铁电固溶体系提供指南。
发明内容：
本发明的目的之一在于提供一种新型铌钪酸钡-钛酸铅铁电陶瓷，简称BSN-PT。
本发明的目的之二在于提供所述的铁电陶瓷的固相合成方法。
本发明的另一个目的在于提供所述铁电陶瓷的用途。
为实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：
一种新型铌钪酸钡-钛酸铅铁电陶瓷，该陶瓷具有复合钙钛矿型结构，其化学式组成为(1-x)Ba(Sc0.5Nb0.5)O3-xPbTiO3(0≤x≤1)。该陶瓷体系的MPB区域在0.61＜x＜0.66范围之内。
本发明采用传统固相合成法制备新型铌钪酸钡-钛酸铅铁电陶瓷。
本发明所述的传统固相合成法包括如下步骤：将初始原料BaCO3，Sc2O3，Nb2O5，PbO，TiO2按照(1-x)Ba(Sc1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(0≤x≤1)的化学式含量称重，经充分混合研磨，烘干成型，然后在1100-1160℃合成，将合成的样品研磨，烘干成型，在1320-1380℃烧结，即获得铌钪酸钡-钛酸铅铁电陶瓷。
本发明制备的新型铌钪酸钡-钛酸铅铁电陶瓷，用于换能器，激励器，电容器，驱动器，微波通讯，滤波器，超声振荡器和压电蜂鸣器领域。
本发明制备的新型铌钪酸钡-钛酸铅铁电陶瓷其具有高的介电电容率，压电常数，机电耦合系数以及居里点。
附图说明：
图1为BSN-PT的粉末衍射图谱，表现出了从三方到四方相的过渡。
图2(a)-图2(d)为不同组分陶瓷样品的电滞回线，表明其铁电性。
图3为BSN-PT陶瓷的相图。
具体实施方式：
1、以固相合成法合成0.37Ba(Sc1/2Nb1/2)O3-0.63PbTiO3.
将初始原料BaCO3，Sc2O3，Nb2O5，PbO，TiO2按Ba(Sc1/2Nb1/2)O3和PbTiO3的化学式含量称重，经混合、研磨、烘干、成型，成型压力4MPa，然后在1120℃恒温4小时，经过固相反应，得到钙钛矿相结构的0.40Ba(Sc1/2Nb1/2)O3-0.60PbTO3化合物，把该产物重新粉碎、研磨、烘干、加PVA，压片成型，再升温到1345℃烧结(保温2.5小时)，即为本发明研制的铁电陶瓷。通过对该组分陶瓷的介电性能测量，得到该组分陶瓷的居里点为110℃。
2、以固相合成法合成0.34Ba(Sc1/2Nb1/2)O3-0.66PbTiO3
将初始原料BaCO3，Sc2O3，Nb2O5，PbO，TiO2按Ba(Sc1/2Nb1/2)O3和PbTO3的化学式含量称重，经混合、研磨、烘干、成型，成型压力4MPa，然后在1110℃恒温2小时，经过固相反应得到钙钛矿相结构的0.34Ba(Sc1/2Nb1/2)O3-0.66PbTiO3化合物，把该产物重新粉碎、研磨、烘干、加PVA，压片成型，再升温到1340℃烧结(保温4小时)，即为本发明研制的铁电陶瓷。通过对该组分陶瓷的介电性能的测量，得到该组分陶瓷的居里点为170℃。3、下表为不同组分铌钪酸钡-钛酸铅铁电陶瓷的固相合成与烧结条件(温度、时间)：
  组分   合成温度(℃)  合成时间(h)   烧结温度(℃)  烧结时间(h)
  0.20BSN-0.80PT0.30BSN-0.70PT0.20BSN-0.66PT0.35BSN-0.65PT0.36BSN-0.64PT0.37BSN-0.63PT0.38BSN-0.62PT0.40BSN-0.60PT0.42BSN-0.58PT0.47BSN-0.53PT0.50BSN-0.50PT0.60BSN-0.40PTBSN   1100110011201120113011501150115011501150115011601450  3.53.53.53.53.54.04.04.04.04.04.04.06.0   1320134013501350135013551355136013651365136513801590  2.02.02.02.02.52.52.52.52.52.52.52.54.0

Claims (5)

1.一种新型铌钪酸钡-钛酸铅铁电陶瓷，其特征在于：该陶瓷具有复合钙钛矿型结构，其化学式组成为(1-x)Ba(Sc0.5Nb0.5)O3-xPbTiO3(0≤x≤1)。
2.如权利要求1所述的新型铌钪酸钡-钛酸铅铁电陶瓷，其特征在于：该陶瓷体系的MPB区域在0.61＜x＜0.66范围之内。
3.一种权利要求1的新型铌钪酸钡-钛酸铅铁电陶瓷的制备方法，其特征在于：采用传统固相合成法制备。
4.如权利要求3所述的新型铌钪酸钡-钛酸铅铁电陶瓷的制备方法，其特征在于：所述的传统固相合成法包括如下步骤：将初始原料BaCO3，Sc2O3，Nb2O5，PbO，TiO2按照(1-x)Ba(Sc1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(0≤x≤1)的化学式含量称重，经充分混合研磨，烘干成型，然后在1100-1160℃合成，将合成的样品研磨，烘干成型，在1320-1380℃烧结，即获得铌钪酸钡-钛酸铅铁电陶瓷。
5.一种权利要求1的新型铌钪酸钡-钛酸铅铁电陶瓷的用途，其特征在于：该材料用于换能器，激励器，电容器，驱动器，微波通讯，滤波器，超声振荡器和压电蜂鸣器领域。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103011816A (zh) * 2012-12-06 2013-04-03 中国科学院福建物质结构研究所 二元铁电固溶体铌镥酸铅-钛酸铅的制备方法
CN103762304A (zh) * 2013-10-26 2014-04-30 溧阳市东大技术转移中心有限公司 包括Sc2O3应力缓冲体的压电元件
CN105369357A (zh) * 2014-07-08 2016-03-02 中国科学院福建物质结构研究所 晶体材料、该材料的制备方法及应用

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