CN103121841A - 一种具有优异压电性能的材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种具有优异压电性能的材料及其制备方法,属于压电陶瓷材料领域。本发明所述的具有优异压电性能的材料,其化学结构通式为(1-x)BiMeO3-xPbTiO3;其中,Me=Ni1/2Hf1/2,Ni1/2Zr1/2;0.5<x<1。制备方法为:使用Bi2O3、NiO、HfO2、ZrO2、PbO以及TiO2。上述化学结构通式称取符合化学剂量比的Bi2O3、NiO、HfO2或ZrO2、PbO与TiO2,然后研磨均匀,研磨后的样品在600至1000℃下煅烧1~10小时,然后取出压片在800至1500℃温度下烧结1~15小时,即可得到高压电性能的材料。本发明专利制备成本低,合成工艺简单,因而它具有更为宽广的科学研究与实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电功能材料及其制备方法,属于压电陶瓷领域,尤其涉及一种具有优异压电性能的材料及其制备方法。
背景技术
压电陶瓷在电子科学与技术中的应用极为广泛,包括电声换能器,水声换能器和超声换能器等,以及其它传感器和驱动器应用。市场巨大,是最重要的电子材料之一,已经成为国防工业、民用工业以及日常生活中的重要功能材料。2011年,Richard E. Eitel[1]等提出了Bi(Me)O3-PbTiO3材料体系(其中Me+3是半径相对较大的阳离子,如Sc、Y、Yb、In等)。文献Japanese Journal of Applied Physics 40, 5999 (2001)报道了BiScO3-PbTiO3材料具有优良的压电、铁电等性能。在压电换能器、传感器和驱动器等方面具有广泛的应用前景,引起了国内外学者的密切关注,然而除了BiScO3-PbTiO3压电材料之外,其它体系都不具备优异的压电性能,如Bi(Ni1/2Ti1/2)-PbTiO3(d 33=260pC/N)[3],Bi(Mg3/4W1/4)O3-PbTiO3(d 33=150pC/N)[4],Bi(Sc3/4Ga1/4)O3-PbTiO3(d 33=124pC/N)[5]等体系。 (1-x)Bi(Me)O3-xPbTiO3(Me = Ni1/2Hf1/2,Ni1/2Zr1/2)以及以此为基底的各种掺杂,具有优异的压电性能,当Me为Ni1/2Hf1/2时,压电系数d 33高达446pC/N;当Me为Ni1/2Zr1/2,压电系数d 33高达415pC/N,超过了已经报道的绝大多数压电材料的性能。
本发明参考文献:
[1] S. M. Choi, C. J. Stringer, T. R. Shrout, and C. A. Randall, J. Appl. Phys. 98, 034108 (2005);
[2] M. D. Snel, W. A. Groen, and G. de With, J. Eur. Ceram. Soc. 26, 89 (2006);
[3] J. R. Cheng, R. E. Eitel, N. Li, and L. E. Cross, J. Appl. Phys. 94, 605 (2005);
[4] R. E. Eitel, C. A. Randall, T. R. Shrout, P. W. Rehrig, W. Hackenberger, and S. -E. Park, Jpn. J. Appl. Phys. 40, 5999 (2001);
[5] B. H. Park, B. S. Kang, S. D. Bu, T. W. Noh, J. Lee, and W. Jo, Nature 401[14] 682 (1999).
近年来BiScO3-PbTiO3由于其优异的压电、铁电等性能(压电常数d 33=460pC/N),一直受到广泛关注,与铅铋基压电材料有关的研究层出不穷[1]。另一方面,人们也在尝试寻找新的铋基压电陶瓷材料。
发明内容
本发明的目的在于获得一种具有高压电性能的(1-x)BiMeO3-xPbTiO3(Me = Ni1/2Hf1/2,Ni1/2Zr1/2)以及以此为基底的材料,从而广泛应用于科学研究与工业生产中。
本发明采用传统固相法即可制备(1-x)Bi(Me)O3-xPbTiO3(Me = Ni1/2Hf1/2,Ni1/2Zr1/2) 高性能压电材料,合成工艺简单,适宜工业化生产。
一种具有优异压电性能的材料,其化学结构通式为(1-x)BiMeO3-xPbTiO3;其中,Me = Ni1/2Hf1/2,Ni1/2Zr1/2;0.5<x<1。
一种具有优异压电性能的材料的制备方法,具体包括步骤如下:
(1) 使用Bi2O3、NiO、HfO2、ZrO2、PbO以及TiO2。按照(1-x)BiMeO3-xPbTiO3(Me = Ni1/2Hf1/2,Ni1/2Zr1/2)(0.5<x<1)称取符合化学剂量比的Bi2O3、NiO、HfO2或ZrO2、PbO与TiO2。
(2) 将混合后的Bi2O3、NiO、HfO2或ZrO2、PbO与TiO2粉末研磨均匀,研磨后的样品在600至1000℃下煅烧1~10小时,然后取出压片(厚度无特殊要求),
(3) 将上述步骤制成的压片在800至1500℃温度下烧结1~15小时,即可得到高压电性能的材料。
所述步骤2中,混合后的Bi2O3、NiO、HfO2或ZrO2、PbO与TiO2粉末研磨至1500~2500目。
进一步的,所述步骤2中,混合后的Bi2O3、NiO、HfO2或ZrO2、PbO与TiO2粉末研磨至2000目。
所述步骤(2)是将混合后的Bi2O3、NiO、HfO2或ZrO2、PbO与TiO2粉末研磨均匀,研磨后的样品在850℃下煅烧5或6小时,然后取出压片。
所述步骤(3)是将上述步骤制成的压片在1100~1250℃温度下烧结2小时,即可得到高压电性能的材料。
本发明的有益效果在于:
本发明专利制备成本低,合成工艺简单,因而它具有更为宽广的科学研究与实用价值。我们发现(1-x)Bi(Me)O3-xPbTiO3(0.5<x<1),其中Me为Ni1/2Hf1/2,Ni1/2Zr1/2,以及以此为基底的各种掺杂(如,Nb2O5,MnO2,SrCO3等),是一种具有优异压电,铁电等性能的钙钛矿结构(ABO3)的压电材料,当Me为Ni1/2Hf1/2时,压电系数d 33高达446pC/N;当Me为Ni1/2Zr1/2,压电系数d 33同样高达415pC/N。该优异的压电性能超过了绝大部分已知压电材料,此外,该类材料具有较低的生产成本,有望成为替代目前应用广泛的其他铅基压电材料[2]。
(1-x)BiMeO3-xPbTiO3(Me = Ni1/2Hf1/2,Ni1/2Zr1/2)体系具有优异的压电性能,超过了绝大部分已知的压电材料,而且合成周期非常短,适合大规模生产,从而能够广泛地应用在压电材料的研究与生产中。
附图说明
图1 0.38Bi(Ni1/2Hf1/2)O3-0.62PbTiO3的x射线衍射图谱;
图2 0.38Bi(Ni1/2Hf1/2)O3-0.62PbTiO3的扫描电镜衍射图谱;
图3 0.39Bi(Ni1/2Hf1/2)O3-0.61PbTiO3的x射线衍射图谱;
图4 0.40Bi(Ni1/2Zr1/2)O3-0.60PbTiO3的x射线衍射图谱;
图5 0.39Bi(Ni1/2Zr1/2)O3-0.61PbTiO3的x射线衍射图谱。
具体实施方式
实施例一:
利用此发明制备0.38Bi(Ni1/2Hf1/2)O3-0.62PbTiO3。称取5.0000克PbO,3.1986克Bi2O3,0.5127克NiO,1.7890克TiO2和1.4449克HfO2。在研钵中充分研磨,然后将粉体在850℃下煅烧6小时,随炉冷却至室温后的样品进行压片,将所得的片在1180℃下烧结2小时,即可得到致密的高压电性能的陶瓷片样品,压电系数d 33=446pC/N,居里温度T C=290℃。图1与图2为0.38Bi(Ni1/2Hf1/2)O3-0.62PbTiO3的x射线衍射图谱与扫描电镜衍射图谱。
实施例二:
利用此发明制备0.39Bi(Ni1/2Hf1/2)O3-0.61PbTiO3。称取5.0000克PbO,3.3366克Bi2O3,0.5349克NiO,1.7890克TiO2和1.5073克HfO2。在研钵中充分研磨至1800目,然后将粉体在850℃下煅烧6小时,随炉冷却至室温后的样品进行压片,最后将所得的片在1210℃下烧结2小时,即可得到高压电性能的陶瓷片样品,压电系数d 33=434pC/N,居里温度T C=275℃。图3为0.39Bi(Ni1/2Hf1/2)O3-0.61PbTiO3的x射线衍射图谱。
实施例三:
利用此发明制备0.30Bi(Ni1/2Hf1/2)O3-0.70PbTiO3。称取5.0000克PbO,2.2366克Bi2O3,0.3585克NiO,1.7890克TiO2和1.0104克HfO2。在研钵中充分研磨,然后将粉体在600℃下煅烧10小时,随炉冷却至室温后的样品进行压片,将所得的片在1500℃下烧结1小时,即可得到致密的高压电性能的陶瓷片样品。
实施例四:
利用此发明制备0.20Bi(Ni1/2Hf1/2)O3-0.80PbTiO3。称取5.0000克PbO,1.3047克Bi2O3,0.2091克NiO,1.7890克TiO2和0.5894克HfO2。在研钵中充分研磨,然后将粉体在1000℃下煅烧1小时,随炉冷却至室温后的样品进行压片,将所得的片在800℃下烧结15小时,即可得到致密的高压电性能的陶瓷片样品。
实施例五:
利用此发明合成0.40Bi(Ni1/2Zr1/2)O3-0.60PbTiO3。称取5.0000克PbO,3.4792克Bi2O3,0.5577克NiO,1.7890克TiO2和0.9201克ZrO2。在研钵中充分研磨至2000目,然后将粉体在850℃下煅烧5小时,随炉冷却至室温后的样品进行压片,而后将所得的片在1130℃下烧结2小时,即可得到高压电性能的陶瓷片样品。压电系数d 33=415pC/N,居里温度T C=287℃。图4为0.40Bi(Ni1/2Zr1/2)O3-0.60PbTiO3的x射线衍射图谱。
实施例六:
利用此发明合成0.39Bi(Ni1/2Zr1/2)O3-0.61PbTiO3。称取5.0000克PbO,3.3366克Bi2O3,0.5349克NiO,1.7890克TiO2和0.8824克ZrO2。在研钵中充分研磨2300目,然后将粉体在850℃下煅烧5小时,随炉冷却至室温后的样品进行压片,随后将所得的片在1120℃下烧结2小时,即可得到高压电性能的陶瓷片样品。压电系数d 33=325pC/N,居里温度T C=300℃。图5为0.39Bi(Ni1/2Zr1/2)O3-0.61PbTiO3的x射线衍射图谱。
Claims (6)
1.一种具有优异压电性能的材料,其特征在于:所述具有优异压电性能的材料其化学结构通式为(1-x)BiMeO3-xPbTiO3;其中,Me = Ni1/2Hf1/2,Ni1/2Zr1/2 ,0.5<x<1。
2.一种具有优异压电性能的材料的制备方法,其特征在于,具体包括步骤如下:
(1) 使用Bi2O3、NiO、HfO2、ZrO2、PbO以及TiO2为原料,按照(1-x)BiMeO3-xPbTiO3;其中,Me = Ni1/2Hf1/2,Ni1/2Zr1/2 ,0.5<x<1;称取符合化学剂量比的Bi2O3、NiO、HfO2或ZrO2、PbO与TiO2;
(2) 将混合后的Bi2O3、NiO、HfO2或ZrO2、PbO与TiO2粉末研磨均匀,研磨后的样品在600至1000℃下煅烧1~10小时,然后取出压片(厚度无特殊要求),
(3) 将上述步骤制成的压片在800至1500℃温度下烧结1~15小时,即可得到高压电性能的材料。
3.根据权利要求2所述的具有优异压电性能的材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中,混合后的Bi2O3、NiO、HfO2或ZrO2、PbO与TiO2粉末研磨至1500~2500目。
4.根据权利要求3所述的具有优异压电性能的材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中,混合后的Bi2O3、NiO、HfO2或ZrO2、PbO与TiO2粉末研磨至2000目。
5.根据权利要求2所述的具有优异压电性能的材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)是将混合后的Bi2O3、NiO、HfO2或ZrO2、PbO与TiO2粉末研磨均匀,研磨后的样品在850℃下煅烧5或6小时,然后取出压片。
6.根据权利要求2或5所述的具有优异压电性能的材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)是将上述步骤制成的压片在1100~1250℃温度下烧结2小时,即可得到高压电性能的材料。
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