CN102173788A - 钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷，还公开了这种钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷的制备方法，用于解决现有的铅基压电陶瓷应变量低的技术问题。技术方案是将分析纯BaCO₃、Bi₂O₃、TiO₂、Li₂CO₃、Na₂CO₃按化学计量比为(Na_1-xLi_x)_0.5Bi_0.5TiO₃-BaTiO₃配料，其中：0≤x≤0.09；将配料放入球磨罐中球磨，球磨混合料烘干后压块，预煅烧，取出煅烧的料打碎，再球磨、过筛；将过筛后的粉料预压成片，然后等静压成型；成型后的圆片经过烧结，得到钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷。由于二元系压电陶瓷具有优良的压电性能：故应变量由背景技术的0.15％提高到0.21～0.27％。

Description

钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种无铅压电陶瓷，特别是一种钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷。还涉及这种钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷的制备方法。

背景技术

压电陶瓷材料被广泛地应用于通信、家电、航空、探测和计算机等诸多领域，是一种极为重要的功能陶瓷材料。但是现在大规模使用的压电陶瓷为铅基压电陶瓷，即二元系PbTiO₃-PbZrO₃和三元系PbTiO₃-PbZrO₃-ABO₃(ABO₃为复合钙钛矿型铁电体)的压电陶瓷。铅基压电陶瓷的原料中PbO或Pb₃O₄约占总量的70％，并且PbO或Pb₃O₄在陶瓷的烧结过程中容易挥发。含铅压电陶瓷在生产，废弃以及回收过程中给自然环境带来了极大的危害。而且此类压电陶瓷的电致应变较低，在0.1％～0.2％之间。因此它们很难满足器件中高应变的使用要求。

无铅压电陶瓷是一种环境协调型的压电陶瓷，材料的组分不含对生态环境危害的元素，尤其是铅，并且材料在制备、使用以及回收的过程中不会对人类和生态环境造成危害。文献“Qinhui Zhang，「Yaoyao Zhang，Feifei Wang，Yaojin Wang，Di Lin，Xiangyong Zhao，Haosu Luo，Wenwei Ge and D.Viehland，Appl.Phys.Lett.95，102904(2009)”介绍了Mn掺杂的Na_0.5Bi_0.5TiO₃-BaTiO₃单晶，最大的应变为0.15％。由此可以看出应变仍然较低，较铅基压电陶瓷没有大幅度提高，而且单晶生长存在很多困难，所以还达不到工业化的生产和使用的目的。

发明内容

为了克服现有的铅基压电陶瓷应变量低的缺点，本发明提供一种钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷。

本发明还提供这种钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷的制备方法。该方法制备的二元系压电陶瓷具有优良的压电性能，可使陶瓷的应变提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷，其通式是(Na_1-xLi_x)_0.5Bi_0.5TiO₃-BaTiO₃；式中：x是Li的摩尔含量；其数值选择范围为0≤x≤0.09。

一种上述钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷的制备方法，其特点是包括下述步骤：

(a)将分析纯BaCO₃、Bi₂O₃、TiO₂、Li₂CO₃、Na₂CO₃按化学计量比为(Na_1-xLi_x)_0.5Bi_0.5TiO₃-BaTiO₃配料，其中：0≤x≤0.09；

(b)将配好的料放入球磨罐中按氧化锆球∶料∶酒精为3∶1∶1的比例混料球磨，球磨时间为8～12小时；

(c)将混合好的料烘干后压块，在800～900℃温度下预烧3～5小时，取出煅烧的料打碎，再球磨8～12小时，然后过筛；

(d)将过筛后的粉料预压成片，然后在20～100MPa的等静压压力下最终成型；

(e)将成型后的圆片在1100～1150℃下保温2～4小时，得到钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷；烧结成瓷之后，打磨抛光，然后涂敷银浆，在550～600℃下，保温20～30分钟烧成银电极。

本发明的有益结果是：由于配方中不含铅元素，陶瓷的烧结性能显著提高。本发明提出的二元系压电陶瓷具有优良的压电性能：故应变量由背景技术的0.15％提高到0.21～0.27％。本发明的无铅压电陶瓷的电致应变较铅基压电陶瓷有了大幅度的提高，而且比Mn掺杂的Na_0.5Bi_0.5TiO₃-BaTiO₃单晶的性能好的多，可采用传统压电陶瓷制备技术获得。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明方法实施例1制备的钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷表面显微形貌照片。

图2是本发明方法实施例2制备的钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷表面显微形貌照片。

图3是本发明方法实施3所制备钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷的电致应变图。

具体实施方式

实施例1，以分析纯BaCO₃、Bi₂O₃、TiO₂、Li₂CO₃、Na₂CO₃为基料，按照化学计量比为0.92Na_0.5Bi_0.5TiO₃-0.08BaTiO₃配比，精确称料。然后将氧化锆球、料和乙醇按照3∶1∶1的比例放入球磨罐中球磨8小时。将磨好后的料烘干后压成大片，在800℃下预烧5小时。煅烧之后的粉料再球磨8小时，然后过筛。经过过筛之后的粉料，预压成直径为12mm，厚度为1～1.5mm的圆片，然后在100MPa的等静压压力下最终成型。将成型之后的圆片在1100℃下保温4小时，得到钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷。烧结成瓷之后，打磨抛光，然后涂敷银浆，在550℃下，保温30分钟烧成银电极。

经过电学性能测试，本实施所制备钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷的应变量达到0.21％。

从图1中可以看出所制备的陶瓷烧结良好，为均一的单相结构，晶粒大小均匀。

实施例2，以分析纯BaCO₃、Bi₂O₃、TiO₂、Li₂CO₃、Na₂CO₃为基料，按照化学计量比为0.92(Na_0.98Li_0.02)_0.5Bi_0.5TiO₃-0.08BaTiO₃配比，精确称料。然后将氧化锆球、料和乙醇按照3∶1∶1的比例放入球磨罐中球磨12小时。将磨好后的料烘干后压成大片，在850℃下预烧4小时。煅烧之后的粉料再球磨12小时，然后过筛。经过过筛之后的粉料，预压成直径为12mm，厚度为1～1.5mm的圆片，然后在60MPa的等静压压力下最终成型。将成型之后的圆片在1125℃下保温3小时，得到钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷。烧结成瓷之后，打磨抛光，然后涂敷银浆，在575℃下，保温25分钟烧成银电极。

经过电学性能测试，本实施所制备钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷的应变量达到0.15％。

从图2中可以看出所制备的陶瓷烧结良好，为均一的单相结构，晶粒大小均匀。

实施例3，以分析纯BaCO₃、Bi₂O₃、TiO₂、Li₂CO₃、Na₂CO₃为基料，按照化学计量比为0.92(Na_0.91Li_0.09)_0.5Bi_0.5TiO₃-0.08BaTiO₃配比，精确称料。然后将氧化锆球、料和乙醇按照3∶1∶1的比例放入球磨罐中球磨10小时。将磨好后的料烘干后压成大片，在900℃下预烧3小时。煅烧之后的粉料再球磨10小时，然后过筛。经过过筛之后的粉料，预压成直径为12mm，厚度为1～1.5mm的圆片，然后在20MPa的等静压压力下最终成型。将成型之后的圆片在1150℃下保温2小时，得到钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷。烧结成瓷之后，打磨抛光，然后涂敷银浆，在600℃下，保温20分钟烧成银电极。

经过电学性能测试，本实施所制备钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷的应变量达到0.27％。

从图3中可以看出陶瓷应变量高达0.27％。

总之，本发明通过多组分掺杂改性，以传统的固相烧结方法，低廉的价格成本成功地制备出具有优异电致应变性能的多组元钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，因此本发明的无铅压电陶瓷适合工业化推广和大规模生产。

Claims (2)

1.一种钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷，其通式是(Na_1-xLi_x)_0.5Bi_0.5TiO₃-BaTiO₃；式中：x是Li的摩尔含量；其数值选择范围为0≤x≤0.09。

2.一种权利要求1所述钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

(a)将分析纯BaCO₃、Bi₂O₃、TiO₂、Li₂CO₃、Na₂CO₃按化学计量比为(Na_1-xLi_x)_0.5Bi_0.5TiO₃-BaTiO₃配料，其中：0≤x≤0.09；

(b)将配好的料放入球磨罐中按氧化锆球∶料∶酒精为3∶1∶1的比例混料球磨，球磨时间为8～12小时；

(c)将混合好的料烘干后压块，在800～900℃温度下预烧3～5小时，取出煅烧的料打碎，再球磨8～12小时，然后过筛；

(d)将过筛后的粉料预压成片，然后在20～100MPa的等静压压力下最终成型；

(e)将成型后的圆片在1100～1150℃下保温2～4小时，得到钛酸铋钠基高应变无铅压电陶瓷；烧结成瓷之后，打磨抛光，然后涂敷银浆，在550～600℃下，保温20～30分钟烧成银电极。

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