CN101704670A - 锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料及其制备方法，属于功能陶瓷领域。本发明选择80.15～84.61Wt％Bi1/2Na1/2TiO3，10.26～13.19Wt％Bi1/2K1/2TiO3，2.17～5.44Wt％BaTiO3体系为基体，0.32～1.28Wt％MnCO3为掺杂物，控制预合成温度为800～950℃，保温时间为1～4小时；烧结温度为1130～1190℃，保温时间为1～4小时，得到新型的无铅压电陶瓷。利用本发明提供的方法获得的压电陶瓷材料，具有高的压电常数(191)和机械品质因子(314)，并具有良好的微观结构，晶粒发育完整。本发明提供的无铅压电陶瓷，可以用于制作压电传感器和致动器等压电器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种锰掺杂钛酸铋钠-钛酸铋钾-钛酸钡三元系无铅压电陶瓷材料，属于功能陶瓷领域。
背景技术
压电铁电陶瓷具有优良的铁电性、压电性、介电性、热释电性等，是功能陶瓷中应用非常广泛的一类，如铁电存储器、压电传感器和换能器、压电滤波器、红外探测器等，在信息、通讯和自动控制等领域具有重要的应用，并已形成规模化产业。目前大量应用的含铅压电陶瓷，其氧化铅或四氧化三铅约占原料总质量的70％左右，在烧结温度下挥发性大，一方面对人体、环境造成危害、另一方面也使陶瓷中的化学计量比偏离原配方，给工艺和产品的稳定性带来诸多问题；此外，含铅压电陶瓷在使用以及废弃处理过程中，还易对环境和人类带来危害。随着全社会对环保问题的重视，寻找能够替代PZT的无铅压电陶瓷材料成为电子材料领域的紧迫任务之一。但是，由于开发的无铅压电铁电材料，由于其自身性质的局限性，难于获得高的压电性能和机械品质因子。Bi0.5Na0.5TiO3(简称BNT)具有良好的铁电性和高的剩余极化引起了广大学者的关注。NBT是由Smolenskii等在1960年首次合成的ABO3型A位离子复合钙钛矿铁电体；居里温度320℃；室温下剩余极化强度Pr＝38μC/cm2。但室温下大的矫顽场(EC＝7.3MV/m)和高的电导率，使其难以极化；同时，其化学物理性质稳定性较差，烧结温度范围较窄、致密性欠佳等限制了NBT陶瓷的实用性。通过复相、掺杂等改性方法可以有效地改善NBT陶瓷的这些缺点。钛酸铋钠-钛酸铋钾-钛酸钡(BNKB)三元体系具有准晶相界区，并表现出良好的压电活性，成为目前研究的重点之一。但目前对于BNKB三元系无铅压电陶瓷的掺杂改性工作开展有限，目前的报道极少。
发明内容
本发明的目的是通过在准晶相界区附近的钛酸铋钠-钛酸铋钾-钛酸钡三元组成中添加以原料质量比0-1.20％的MnCO3，提高陶瓷材料的压电和机电性能，提高无铅压电陶瓷的实用价值。
本发明的目的是通过如下方式实现的：一种锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料，其特征在于：以Bi1/2Na1/2TiO3-Bi1/2K1/2TiO3-BaTiO3体系为基体，MnCO3为掺杂物。
各组分质量百分比为Bi1/2Na1/2TiO380.15～84.61％，Bi1/2K1/2TiO310.26～13.19％，BaTiO32.17～5.44％，MnCO30.32～1.28％。
一种锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料的制备方法：包括配料、球磨、压块、预合成、球磨、轧膜、排塑、烧结，其特征在于：
(1)按质量百分比80.15～84.61％的Bi1/2Na1/2TiO3，10.26～13.19％的Bi1/2K1/2TiO3，2.17～5.44％的BaTiO3配取基体原料，按质量百分比0.32～1.28％配取掺杂物MnCO3；
(2)预合成温度为850～950℃，保温时间为1～4小时；
(3)烧结温度为1150～1180℃，保温时间为1～4小时，得锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料。
本发明具有如下的有益效果，利用本发明提供的方法获得的压电陶瓷材料，具有高的压电常数(191)和机械品质因子(314)，并具有良好的微观结构，晶粒发育完整。本发明提供的无铅压电陶瓷，可以用于制作压电传感器和致动器等压电器件。
附图说明
图1是本发明的组分为83.951Wt％Bi1/2Na1/2TiO3，12.30Wt％Bi1/2K1/2TiO3，3.26Wt％BaTiO3，和0.49Wt％MnCO3的钛酸铋钠-钛酸铋钾-钛酸钡三元陶瓷的体积密度与烧结温度之间的关系。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
对比例
(1)采用无水碳酸钠、无水碳酸钾、氧化铋、二氧化钛和碳酸钡，按84.36Wt％Bi1/2Na1/2TiO3，12.36Wt％Bi1/2K1/2TiO3，3.28Wt％BaTiO3配取原料
(2)采用无水乙醇为介质在尼龙球磨罐中粗磨8小时，出料并干燥后以50MPa的压力将粉料挤压成块，以3℃/min的升温速率升到950℃下进行预合成，保温2小时；预合成得到的料块研磨至40目筛；仍以无乙醇本为介质、在尼龙球磨罐中细磨12小时，出料并干燥；向粉料加入20％的粘结剂溶液(聚乙烯醇浓度为18％)，经混料、并料、粗轧和精轧，得到厚度为0.50mm左右的膜片。
(3)膜片在720℃下保温4小时(升温速率1℃/min)进行排塑。膜片置于氧化铝坩埚中，密闭烧结。烧结温度为1190℃，保温时间为2小时。陶瓷片经研磨后两面被覆银电极，并在硅油中60℃下极化，极化电压为4000V/mm，时间为30分钟。
实施例1
(1)采用无水碳酸钠、无水碳酸钾、氧化铋、二氧化钛、碳酸钡和碳酸锰，按83.95Wt％Bi1/2Na1/2TiO3，12.30Wt％Bi1/2K1/2TiO3，3.26Wt％BaTiO3，0.49Wt％MnCO3配取原料；
(2)粉料在40MPa下压制成块，预合成温度850℃下进行，保温1小时。烧结温度为1170℃，保温时间为2小时。
其它条件同对比例
实施例2
(1)采用无水碳酸钠、无水碳酸钾、氧化铋、二氧化钛、碳酸钡和碳酸锰，按83.55Wt％Bi1/2Na1/2TiO3，12.24Wt％Bi1/2K1/2TiO3，3.25Wt％BaTiO3和0.96Wt％MnCO3配取原料
(2)粉料在30MPa下压制成块，预合成温度800℃，保温1小时。烧结温度为1150℃，保温时间为2小时。
其它条件同对比例。
表1是按对比例、实施例1和2制备的陶瓷样品的性能对比表
测试条件如下：
体积密度按Archimedes排水法采用Metler XS104型精密电子天平测量；
介电常数和介电损耗：在1kHZ的频率下使用Agilent E4980型精密LCR表测量电容和介电损耗，并通过公式
计算得到介电常数(C：电容值，t：膜片厚度；A：膜片电极面积；ε0：真空介电常数)。
压电应变常数d33：采用ZJ-2A型准静态d33仪测量；
机电耦合系数kp：采用Agilent 4294A型精密阻抗分析仪测量膜片的平面谐振模式下的谐振与反谐振阻抗和频率，并按公式
计算得到平面机电耦合系数kp。
机械品质因子：采用Agilent 4294A型精密阻抗分析仪测量膜片的平面谐振模式下的谐振与反谐振阻抗和频率，并按公式
计算得到机械品质因子Qm。
实施例3
(1)采用无水碳酸钠、无水碳酸钾、氧化铋、二氧化钛、碳酸钡和碳酸锰，按80.15Wt％Bi1/2Na1/2TiO3，13.19Wt％Bi1/2K1/2TiO3，5.38Wt％BaTiO3和1.28Wt％MnCO3配取原料；
(2)粉料在30MPa下压制成块，预合成温度800℃，保温1小时。烧结温度为1180℃，保温时间为1小时。
其它条件同对比例。
实施例4
(1)采用无水碳酸钠、无水碳酸钾、氧化铋、二氧化钛、碳酸钡和碳酸锰，按84.61Wt％Bi1/2Na1/2TiO3，12.26Wt％Bi1/2K1/2TiO3，2.17Wt％BaTiO3和0.96Wt％MnCO3配取原料；
(2)粉料在50MPa下压制成块，预合成温度850℃，保温4小时.膜片在720℃下排塑，保温4小时.烧结温度为1180℃，保温时间为4小时.
其它条件同对比例。
实施例5
(1)采用无水碳酸钠、无水碳酸钾、氧化铋、二氧化钛、碳酸钡和碳酸锰，按83.98Wt％Bi1/2Na1/2TiO3，10.26Wt％Bi1/2K1/2TiO3，5.44Wt％BaTiO3和0.32Wt％MnCO3配取原料；
(2)粉料在50MPa下压制成块，预合成温度850℃，保温4小时。膜片在720℃下排塑，保温4小时。烧结温度为1170℃，保温时间为4小时。
其它条件同对比例。
Claims (3)
1.一种锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料，其特征在于：以Bi1/2Na1/2TiO3-Bi1/2K1/2TiO3-BaTiO3体系为基体，MnCO3为掺杂物。
2.根据权利要求1所述的一种锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料，其特征在于：各组分质量百分比为Bi1/2Na1/2TiO380.15～84.61％，Bi1/2K1/2TiO310.26～13.19％，BaTiO32.17～5.44％，MnCO3 0.32～1.28％。
3.根据权利要求1所述的一种锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料的制备方法：包括配料、球磨、压块、预合成、球磨、轧膜、排塑、烧结，其特征在于：
(1)按质量百分比80.15～84.61％的Bi1/2Na1/2TiO3，10.26～13.19％的Bi1/2K1/2TiO3，2.17～5.44％的BaTiO3配取基体原料，按质量百分比0.32～1.28％配取掺杂物MnCO3；
(2)预合成温度为850～950℃，保温时间为1～4小时；
(3)烧结温度为1150～1180℃，保温时间为1～4小时，得锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料。
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| CN200910224211A CN101704670A (zh) | 2009-11-25 | 2009-11-25 | 锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料及其制备方法 |
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN102757220A (zh) * | 2012-07-13 | 2012-10-31 | 北京工业大学 | 一种Bi0.5Na0.5TiO3基三元体系无铅压电陶瓷及制备 |
| CN102924082A (zh) * | 2012-10-22 | 2013-02-13 | 南京航空航天大学 | 锰掺杂铌镍-锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法 |
| CN104496468A (zh) * | 2014-11-27 | 2015-04-08 | 济南大学 | 一种降低钛酸铋钠基薄膜矫顽场及提高其耐压性的方法 |
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2009
- 2009-11-25 CN CN200910224211A patent/CN101704670A/zh active Pending
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