CN102633503A - 一种具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料及其制备方法 - Google Patents

一种具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料及其制备方法 Download PDF

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石旺舟
徐敏
金成超
姚其容
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Abstract

本发明公开了一种具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料，其特征在于，其化学组成为：(0.935-x)Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-xSrTiO3，其中0≤x≤0.30。本发明在二元准同型相界(MPB)组分固溶体0.935Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3基础上引入SrTiO3制备三元系固溶体，制备了一种高机电响应的无铅体系，与现有的无铅体系相比，本发明能够揭示三元固溶体的准同型相界组分，获得具有高电致应变的体系，在较小电场下能获得较大应变量，有望应用于新型环境友好的固态驱动器中。

Description

一种具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料及其制备方法
技术领域
本发明属于功能陶瓷领域，具体涉及一种具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料及其制备方法，是一种新型环境友好的高电致应变压电材料。
背景技术
铁电与压电材料作为电、声、力、热、光敏感材料，可实现电能与机械能间的转换，在驱动器、换能器、传感器等军事、民用领域已获得了广泛的应用。但长期以来，占据统治地位的一直是以PZT为基的多元系含铅陶瓷材料，对人体与外界环境构成巨大危害，研究与发展新型高性能的无铅压电材料体系，进而获得高的机电转换体系已成为世界各发达国家研究的热点之一。
当前研究较多的几类无铅压电材料体系中，包括BaTiO3、Bi0.5Na0.5TiO3以及K1-xNaxNbO3体系，经过制备二元及多元的固溶体，性能已获得较大提高。但总体来看，目前的无铅体系综合性能与传统PZT基材料相比还有较大的差距，如压电系数一般不超过300pC/N，新的无铅体系存在工作温度范围较窄等问题。如何进一步提升压电及机电耦合性能、拓宽温度使用范围成为能否应用的关键。
在压电驱动器的应用中，往往要求材料在较小电场下能够有较大的应变输出，从而在低激励电压下实现控制与定位。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料及其制备方法，所制得的材料在较小的电场下具有较高的应变响应。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料，其化学组成为：(0.935-x)Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-xSrTiO3，其中0≤x≤0.30。
x为SrTiO3取代量，优选0≤x≤0.30，更优选x＝0.22。
上述具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料的制备方法包括以下步骤：
(1)以Bi2O3，Na2CO3，BaCO3，TiO2和SrCO3为原料，按照(0.935-x)Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-xSrTiO3中的化学计量比称量原料；
(2)将上述原料在无水乙醇中球磨6-8小时，烘干，在800-900℃下空气中锻烧1-4小时，制得钙钛矿结构粉料；
(3)将所得钙钛矿结构粉料再次在无水乙醇中球磨6-8小时，烘干后压片，于1150-1250℃下保温1-4小时烧结，得致密的陶瓷片。
本发明所制备的具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料在4kV/mm的中等电场下可获得高达0.2％的场致应变，等效压电系数可达到490pm/V，适用于位移控制等领域。
在压电驱动器的应用中，往往要求材料在较小电场下能够有较大的应变输出，从而在低激励电压下实现控制与定位。针对压电驱动器等领域的应用，为在较小的电场下获得高的应变响应，本发明通过准同型相界组分的设计，制备了一种高机电响应的无铅体系，与现有的无铅体系相比，本发明能够揭示三元固溶体的准同型相界组分，获得具有高电致应变的体系，在较小电场下能获得较大应变量。
附图说明
图1为实施例1～6制备的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料的XRD图。
图2为实施例1制备的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料的介温频谱，测试频率分别为100Hz，1kHz，10kHz和100kHz，温度从室温至400℃。
图3为实施例5制备的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料的介温频谱，测试频率分别为100Hz，1kHz，10kHz和100kHz，温度从室温至400℃。
图4为实施例6制备的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料的介温频谱，测试频率分别为100Hz，1kHz，10kHz和100kHz，温度从室温至400℃。
图5为实施例1制备的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料室温下的电滞回线，测试频率10Hz。
图6为实施例5制备的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料室温下的电滞回线，测试频率10Hz。
图7为实施例6制备的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料室温下的电滞回线，测试频率10Hz。
图8为实施例1制备的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料室温下的单向场致应变，测试频率0.5Hz。
图9为实施例5制备的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料室温下的单向场致应变，测试频率0.5Hz。
图10为实施例6制备的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料室温下的单向场致应变，测试频率0.5Hz。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1：
使用高纯Bi2O3，Na2CO3，BaCO3，TiO2和SrCO3为原料，按照化学式0.915Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-0.02SrTiO3进行配料；
使用无水乙醇为介质，利用行星磨湿磨6小时，90℃烘干后得到干粉，将烘干原料在850℃空气中预烧2小时，研磨得到固溶体原料；
使用无水乙醇为介质进行二次湿磨，时间6小时，烘干后得到磨细的原料，利用干压方法进行成型；
将成型片在1200℃空气中烧结2小时，得到致密的BNBST陶瓷片。
实施例2：
本实施例与实施例1各步骤基本相同，不同之处在于按照化学式0.855Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-0.08SrTiO3进行配料。
实施例3：
本实施例与实施例1各步骤基本相同，不同之处在于按照化学式0.835Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-0.10SrTiO3进行配料。
实施例4：
本实施例与实施例1各步骤基本相同，不同之处在于按照化学式0.795Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-0.14SrTiO3进行配料。
实施例5：
本实施例与实施例1各步骤基本相同，不同之处在于按照化学式0.755Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-0.18SrTiO3进行配料。
实施例6：
本实施例与实施例1各步骤基本相同，不同之处在于按照化学式0.715Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-0.22SrTiO3进行配料。
将实施例1-6烧结后制得的陶瓷片用磨片机磨至1mm，利用丝网印刷双面刷上银电极，在650℃空气中烧银；在硅油中施加直流电场进行极化，温度80℃，电场4kV/mm，极化时间15分钟。极化后的陶瓷片放置24小时后测试介温谱、电滞回线和场致应变。
由图1可知，实施例1～6所制备材料具有纯的钙钛矿结构，且无明显原料相及非目标生成物相。
由图2可知，实施例1所制备材料极化后室温下色散现象大大减弱，介电常数的峰值温度Tm约250℃，退极化温度约75℃。
由图3可知，实施例5所制备材料退极化温度降至室温附近，室温下极化后仍有较强的色散现象，并且介电峰演变为介电肩。
由图4可知，实施例6所制备材料退极化温度降至室温以下，室温下极化后仍有强的色散现象，并且介电常数峰演变为介电肩。
由图5可知，实施例1所制备材料具有典型铁电体的矩形电滞回线，剩余极化强度约30μC/cm2，矫顽场约2kV/mm。
由图6可知，实施例5所制备材料的电滞回线呈现钉扎特点，剩余极化强度约20μC/cm2，矫顽场约1.5kV/mm。
由图7可知，实施例6所制备材料的电滞回线呈现钉扎特点，剩余极化强度约10μC/cm2，矫顽场约0.5kV/mm。
由图8可知，实施例1所制备的材料，其等效压电系数为303pm/V。
由图9可知，实施例5所制备的材料，其等效压电系数为300pm/V。
由图10可知，实施例6所制备的材料，其等效压电系数达490pm/V。
本发明中的无铅压电体系，在4kV/mm的电场下，可获得高达0.2％的应变量，等效压电系数达490pm/V，在高应变驱动器具有重要应用前景。
上述实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料，其特征在于，其化学组成为：(0.935-x)Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-xSrTiO3，其中0≤x≤0.30。
2.权利要求1所述具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料，其特征在于，0.02≤x≤0.22。
3.权利要求1所述具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料，其特征在于，x＝0.22。
4.权利要求1、2或3所述具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以Bi2O3，Na2CO3，BaCO3，TiO2和SrCO3为原料，按照(0.935-x)Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-xSrTiO3中Bi、Na、Ba、Ti和Sr的化学计量比称量原料；
(2)将上述原料在无水乙醇中球磨6-8小时，烘干，在800-900℃下空气中锻烧1-4小时，制得钙钛矿结构粉料；
(3)将所得钙钛矿结构粉料再次在无水乙醇中球磨6-8小时，烘干后压片，于1150-1250℃下保温1-4小时烧结，得致密的陶瓷片。
5.权利要求1、2或3所述的具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料用于位移控制领域。
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