CN102718479A - 一种具有高电致伸缩系数的钛酸铋钠基无铅陶瓷及其制备方法 - Google Patents

一种具有高电致伸缩系数的钛酸铋钠基无铅陶瓷及其制备方法 Download PDF

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徐敏
金成超
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Abstract

一种具有高电致伸缩系数的钛酸铋钠基无铅陶瓷，所述的钛酸铋钠基无铅体系的组成成分为(0.935-x)Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-xSrTiO3，其中0.26≤x≤0.34。采用两步烧结法制备而成，将烧结后的陶瓷片用磨片机磨至1mm左右，利用丝网印刷双面刷上银电极，在650℃空气中烧银。对烧制电极的陶瓷片测试其XRD、电滞回线和场致应变。这种环境友好的高电致伸缩系数材料应用于位移控制领域。本发明的效果在于：与当前的电致伸缩体系相比，本发明具有环境友好、制备简单、高电致伸缩响应等优点。

Description

一种具有高电致伸缩系数的钛酸铋钠基无铅陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型环境友好的高电致伸缩系数材料，具体为一种具有高电致伸缩系数的钛酸铋钠基无铅陶瓷及其制备方法，属于功能陶瓷领域。
背景技术
固态驱动器等应用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。长期以来，驱动器所用材料中，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、获得高的机电转换响应已成为世界各发达国家研究的热点之
在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，虽然其压电性能及场致应变响应都获得了较大提升，但是这些体系普遍存在工作温度范围还较窄的问题。
与压电材料相比，电致伸缩材料具有滞后小、温度稳定性好等优点。2009年，Adv.Mater.上报道了德国研究人员制备一种三元系Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3-K0.5Na0.5NbO3，该体系显示出高电致应变响应，其电致伸缩系数Q可达0.027m4C-2，这比传统的电致伸缩材料Pb(Mg1/3Nb2/3)O3还要大，为新型环境友好驱动器的设计提供了新的途径。
本文在前期对钛酸铋钠体系研究基础上，通过组分与结构设计，制备了一种高机电响应的电致伸缩体系，在4kV/mm的中等电场下可获得高达～0.12％场致应变，等效电致伸缩系数可达到0.026m4C-2，与Adv.Mater.上报道的结果相当。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种具有高电致伸缩系数的钛酸铋钠基无铅陶瓷及其制备方法，以解决现有技术的上述问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。
一种具有高电致伸缩系数的钛酸铋钠基无铅陶瓷，所述的钛酸铋钠基无铅体系的组成成分为(0.935-x)Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-xSrTiO3，其中0.26≤x≤0.34。
上述钛酸铋钠基无铅陶瓷的制备方法，采用两步烧结法，具体的制备方法如下：
(1)以Bi2O3，Na2CO3，BaCO3，TiO2和SrCO3为原料，按照化学式(0.935-x)Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-xSrTiO3(0.26≤x≤0.34)进行配料，其中x为SrTiO3的含量；
(2)使用无水乙醇为介质湿磨，烘干后得到干粉；
（3）烘干原料在800-900℃空气中预烧1-4小时，研磨得到固溶体原料；
（4）再次使用无水乙醇为介质湿磨，烘干后得到磨细的原料；
（5）干压成型；
（6）成型片在1150-1250℃空气中烧结1-4小时，得到致密的钛酸铋钠基无铅陶瓷。
将烧结后的陶瓷片用磨片机磨至1mm左右，利用丝网印刷双面刷上银电极，在650℃空气中烧银。
对烧制电极的陶瓷片测试其XRD、电滞回线和场致应变。这种环境友好的高电致伸缩系数材料应用于位移控制领域。
本发明的效果在于：与当前的电致伸缩体系相比，本发明具有环境友好、制备简单、高电致伸缩响应等优点。
附图说明
图1为实施例1中1200℃烧结2小时BNBST0.30的XRD图（10-80°）；
图2为实施例1中1200℃烧结2小时BNBST0.30的XRD图（38-41°）；
图3为实施例1中1200℃烧结2小时BNBST0.30的XRD图（45-48°）；
图4为实施例1中BNBST0.30室温下的电滞回线和场致应变曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。
实施例1
使用高纯Bi2O3,Na2CO3,BaCO3,TiO2和SrCO3为原料，按照化学式(0.635)Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-0.30SrTiO3进行配料。
使用无水乙醇为介质，利用行星磨湿磨6h，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6h，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。将烧结后的陶瓷片用磨片机磨至1mm左右，利用丝网印刷双面刷上银电极，在650℃空气中烧银。
对制备电极的陶瓷片测试其电滞回线和场致应变。
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0.675Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-0.26SrTiO3进行配比。
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0.655Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-0.28SrTiO3进行配比。
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0.615Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-0.32rTiO3进行配比。
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0.595Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-0.34SrTiO3进行配比。
从图1中看出BNBST0.30具有纯的钙钛矿结构。
从图2中看出代表三方相特征峰(111)无明显分裂。
从图3中看出代表四方相特征峰(200)无明显分裂。
图4为实施例中BNBST0.30室温下的电滞回线和场致应变曲线，测试频率10Hz，应变与极化强度平方呈现线性响应。
实施例2-5所得产品的测试结果与实施例1相似，实施例1为优选组分，从上述对烧制电极的陶瓷片测试其XRD、电滞回线和场致应变的测试数据可以看出：这种环境友好的高电致伸缩系数材料非常适合应用于位移控制领域。

Claims (3)

1.一种具有高电致伸缩系数的钛酸铋钠基无铅陶瓷，其特征在于：所述的钛酸铋钠基无铅陶瓷的组成成分为(0.935-x)Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-xSrTiO3，其中0.26≤x≤0.34。
2.一种制备权利要求1所述钛酸铋钠基无铅陶瓷的方法，其特征在于：采用两步烧结法，具体的制备方法如下：
（1）以Bi2O3,Na2CO3,BaCO3,TiO2和SrCO3为原料，按照化学式(0.935-x)Bi0.5Na0.5TiO3-0.065BaTiO3-xSrTiO3进行配料，其中x为SrTiO3的含量，并满足0.26≤x≤0.34；
（2）使用无水乙醇为介质湿磨，烘干后得到干粉；
（3）烘干原料在800-900℃空气中预烧1-4小时，研磨得到固溶体原料；
（4）再次使用无水乙醇为介质湿磨，烘干后得到磨细的原料；
（5）干压成型；
（6）成型片在1150-1250℃空气中烧结1-4小时，得到致密的钛酸铋钠基无铅陶瓷。
3.根据权利要求1所述的钛酸铋钠基无铅陶瓷，其特征在于：应用于位移控制领域。
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