CN105060882A - 一种压电陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压电陶瓷材料领域，公开了一种压电陶瓷材料，以Bi₂O₃、TiO₂、Dy₂O₃和Fe₂O₃为原料，Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂，其中x表示摩尔分数，且0.00≤x≤0.40；本发明也公开了制备所述压电陶瓷材料的方法，即采用固相烧结法制备所述压电陶瓷材料，该方法工艺简单、生产成本低、使用范围较广且制备的产品结晶性好、致密度高、介电和压电性能优良。

Description

一种压电陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及压电陶瓷材料领域，尤其涉及一种压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷是一类重要的功能陶瓷，主要应用于实现机械能与电能的耦合与转换，与压电晶体相比，具有容易制成形状复杂、成本低、易批量生产、机电耦合系数大、压电性和可调节性好，以及优越的光、电、热、磁、力学性能和化学稳定性等优点，已广泛应用在机械、电子、通讯、精密控制、国防军工等众多领域，在国民经济、现代科学技术、现代国防中举足轻重。现在广泛应用的压电陶瓷材料主要是Pb(Ti,Zr)O₃(简称PZT)体系铅基压电陶瓷。铅基压电陶瓷中PbO(或Pb₃O₄)的含量约占原料总量的70％，这类陶瓷在生产、使用及废弃后处理过程中，都会给人类和生态环境造成伤害。再加上由于全球铅资源存量有限，据国际权威部门估算，预计在二、三十年内全球的铅将消耗殆尽。因此，研究和开发高性能的压电陶瓷是一项具有重要意义的课题。

目前研究的无铅压电陶瓷主要包括：铋层状结构压电陶瓷、钛酸钡(BT)基压电陶瓷、钛酸铋钠(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃(BNT)基压电陶瓷和铌酸盐系压电陶瓷。目前压电陶瓷的制备方法包括：溶胶--凝胶(sol-gel)法、水热法、共沉淀法、熔盐法、柠檬酸法、固相烧结法。

现有的无铅压电陶瓷材料存在结晶性较差、致密度较低、介电和压电性能较差、生产工艺复杂、生产成本较高等缺点，因此，研发一种压电陶瓷材料，使其结晶性好、致密度高、介电和压电性能优良、生产工艺简单、生产成本较低，显得格外重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术中的不足，本发明提供了一种结晶性好、致密度高、介电和压电性能优良、生产工艺简单、生产成本较低压电陶瓷材料及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压电陶瓷材料及其制备方法，所述压电陶瓷的化学通式为Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂，其中x表示摩尔分数，且0.00≤x≤0.40。

具体地，所述压电陶瓷由如下组分组成：Bi₂O₃：9.805～9.833g，TiO₂：2.800～3.240g，Dy₂O₃：2.097～2.103g，Fe₂O₃：0.000～0.426g。

进一步地，采用固相法制备所述压电陶瓷，在铋层状陶瓷Bi₄Ti₃O₁₂中加入定量的Dy和不同含量的Fe，具体包括以下步骤：

S1、称量、混料：采用Bi₂O₃、TiO₂、Dy₂O₃和Fe₂O₃为原材料，按照化学通式Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂配料、称重、混合；

S2、预烧：将称重好的物料放入玛瑙研钵中进行混合并研磨，采用高浓度的无水乙醇作为球磨介质，研磨好后的物料过2次100目的筛；然后将物料放入坩埚中压实，进行预烧；

S3、造粒、压片、排胶：将步骤S2中预烧后的物料放入研钵中研磨，研磨过程中加入聚乙烯醇(PVA)粘结剂，直至研成细块状粉粒，烘干、压片、排胶。

S4、烧结：将步骤S3中已排胶的样品在马弗炉中进行烧结。

S5、打磨、涂银：将步骤S4中烧结好的样品进行表面打磨、涂银、烧银，得到成品。

S6、极化：将步骤S5中的成品在40～80℃硅油中极化。

优选地，所述步骤S2中的预烧温度为850℃，保温时间为2h。

进一步地，所述步骤S3中加入的聚乙烯醇(PVA)粘结剂，具体为1wt％～6wt％的PVA水溶液。

优选地，所述步骤S3中压片过程的压力为6MPa，保压时间为30s，模具内直径为13mm。

具体地，其特征在于，所述所述步骤S3中的排胶温度为550℃，保温时间为2h。

具体地，其特征在于，所述步骤S4中的烧结温度为1000～1100℃，保温时间为2h。

具体地，所述步骤S5中的烧银温度为550℃，保温时间30min。

进一步地，所述步骤S6中的极化电场为3.5kV/cm，极化时间为15min。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用传统固相法制备压电陶瓷，工艺过程简单、生产成本较低。

(2)本发明的烧结温度大大降低，因此有效地降低了生产成本；

(3)本发明采用的原料的百分含量均在99.0％以上，成品纯度高，不含其他杂质，不含Pb等有害化合物；

(4)本发明的压电陶瓷的化学通式Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂中x为0.2时，陶瓷的致密度高达98.43％；

(5)本发明的压电陶瓷的化学通式Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂中x为0.2时，陶瓷的介电常数高达315。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本实施例公开了一种压电陶瓷材料，所述压电陶瓷的化学通式为Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂，其中x表示摩尔分数，且x＝0.00，所述压电陶瓷由如下组分组成：Bi₂O₃9.833g，TiO₂3.240g，Dy₂O₃g2.103g，Fe₂O₃0.000g。

本实施例还公开了制备所述压电陶瓷材料的方法，采用固相法，在铋层状陶瓷Bi₄Ti₃O₁₂中加入定量的Dy和不同含量的Fe，具体包括以下步骤：S1、称量、混料：采用Bi₂O₃、TiO₂、Dy₂O₃和Fe₂O₃为原材料，按照化学通式Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂配料、称重、混合；S2、预烧：将称重好的物料放入玛瑙研钵中进行混合并研磨，采用高浓度的无水乙醇作为球磨介质，研磨好后的物料过2次100目的筛；然后将物料放入坩埚中压实，进行预烧，预烧温度为850℃，保温时间为2h；S3、造粒、压片、排胶：将步骤S2中预烧后的物料放入研钵中研磨，研磨过程中加入1wt％～6wt％的聚乙烯醇(PVA)粘结剂，直至研成细块状粉粒，烘干、压片、排胶，所述压片过程的压力为6MPa，保压时间为30s，模具内直径为13mm，所述排胶温度为550℃，保温时间为2h；S4、烧结：将步骤S3中已排胶的样品在马弗炉中进行烧结，所述烧结温度为1000～1100℃，保温时间为2h；S5、打磨、涂银：将步骤S4中烧结好的样品进行表面打磨、涂银、烧银，得到成品，所述烧银温度为550℃，保温时间30min；S6、极化：将步骤S5中的成品在40～80℃硅油中极化，所述极化电场为3.5kV/cm，极化时间为15min。

实施例2：

本实施例公开了一种压电陶瓷材料，所述压电陶瓷的化学通式为Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂，其中x表示摩尔分数，且x＝0.20，所述压电陶瓷由如下组分组成：Bi₂O₃9.819g，TiO₂3.020g，Dy₂O₃g2.100g，Fe₂O₃0.213g。

本实施例还公开了制备所述压电陶瓷材料的方法，采用固相法，在铋层状陶瓷Bi₄Ti₃O₁₂中加入定量的Dy和不同含量的Fe，具体包括以下步骤：S1、称量、混料：采用Bi₂O₃、TiO₂、Dy₂O₃和Fe₂O₃为原材料，按照化学通式Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂配料、称重、混合；S2、预烧：将称重好的物料放入玛瑙研钵中进行混合并研磨，采用高浓度的无水乙醇作为球磨介质，研磨好后的物料过2次100目的筛；然后将物料放入坩埚中压实，进行预烧，预烧温度为850℃，保温时间为2h；S3、造粒、压片、排胶：将步骤S2中预烧后的物料放入研钵中研磨，研磨过程中加入1wt％～6wt％的聚乙烯醇(PVA)粘结剂，直至研成细块状粉粒，烘干、压片、排胶，所述压片过程的压力为6MPa，保压时间为30s，模具内直径为13mm，所述排胶温度为550℃，保温时间为2h；S4、烧结：将步骤S3中已排胶的样品在马弗炉中进行烧结，所述烧结温度为1000～1100℃，保温时间为2h；S5、打磨、涂银：将步骤S4中烧结好的样品进行表面打磨、涂银、烧银，得到成品，所述烧银温度为550℃，保温时间30min；S6、极化：将步骤S5中的成品在40～80℃硅油中极化，所述极化电场为3.5kV/cm，极化时间为15min。

实施例3：

本实施例公开了一种压电陶瓷材料，所述压电陶瓷的化学通式为Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂，其中x表示摩尔分数，且x＝0.40，所述压电陶瓷由如下组分组成：Bi₂O₃9.805g，TiO₂2.800，Dy₂O₃g2.097g，Fe₂O₃0.426g。

本实施例还公开了制备所述压电陶瓷材料的方法，采用固相法，在铋层状陶瓷Bi₄Ti₃O₁₂中加入定量的Dy和不同含量的Fe，具体包括以下步骤：S1、称量、混料：采用Bi₂O₃、TiO₂、Dy₂O₃和Fe₂O₃为原材料，按照化学通式Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂配料、称重、混合；S2、预烧：将称重好的物料放入玛瑙研钵中进行混合并研磨，采用高浓度的无水乙醇作为球磨介质，研磨好后的物料过2次100目的筛；然后将物料放入坩埚中压实，进行预烧，预烧温度为850℃，保温时间为2h；S3、造粒、压片、排胶：将步骤S2中预烧后的物料放入研钵中研磨，研磨过程中加入1wt％～6wt％的聚乙烯醇(PVA)粘结剂，直至研成细块状粉粒，烘干、压片、排胶，所述压片过程的压力为6MPa，保压时间为30s，模具内直径为13mm，所述排胶温度为550℃，保温时间为2h；S4、烧结：将步骤S3中已排胶的样品在马弗炉中进行烧结，所述烧结温度为1000～1100℃，保温时间为2h；S5、打磨、涂银：将步骤S4中烧结好的样品进行表面打磨、涂银、烧银，得到成品，所述烧银温度为550℃，保温时间30min；S6、极化：将步骤S5中的成品在40～80℃硅油中极化，所述极化电场为3.5kV/cm，极化时间为15min。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用传统固相法制备压电陶瓷，工艺过程简单、生产成本较低。

(2)本发明的烧结温度大大降低，因此有效地降低了生产成本；

(3)本发明采用的原料的百分含量均在99.0％以上，成品纯度高，不含其他杂质，不含Pb等有害化合物；

(4)本发明的压电陶瓷的化学通式Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂中x为0.2时，陶瓷的致密度高达98.43％；

(5)本发明的压电陶瓷的化学通式Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂中x为0.2时，陶瓷的介电常数高达315。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种压电陶瓷材料，其特征在于，所述压电陶瓷的化学通式为Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂，其中x表示摩尔分数，且0.00≤x≤0.40。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷材料，其特征在于，所述压电陶瓷由如下组分组成：

3.一种制备如权利要求1所述的压电陶瓷材料的方法，其特征在于，采用固相法，在铋层状陶瓷Bi₄Ti₃O₁₂中加入定量的Dy和不同含量的Fe，具体包括以下步骤：

S1、称量、混料：采用Bi₂O₃、TiO₂、Dy₂O₃和Fe₂O₃为原材料，按照化学通式Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂配料、称重、混合；

S2、预烧：将称重好的物料放入玛瑙研钵中进行混合并研磨，采用高浓度的无水乙醇作为球磨介质，研磨好后的物料过2次100目的筛；然后将物料放入坩埚中压实，进行预烧；

S3、造粒、压片、排胶：将所述步骤S2中预烧后的物料放入研钵中研磨，研磨过程中加入聚乙烯醇(PVA)粘结剂，直至研成细块状粉粒，烘干、压片、排胶。

S4、烧结：将所述步骤S3中已排胶的样品在马弗炉中进行烧结。

S5、打磨、涂银：将所述步骤S4中烧结好的样品进行表面打磨、涂银、烧银，得到成品。

S6、极化：将所述步骤S5中的成品在40～80℃的硅油中极化。

4.根据权利要求3所述的制备压电陶瓷材料的方法，其特征在于，所述步骤S2中的预烧温度为850℃，保温时间为2h。

5.根据权利要求4所述的制备压电陶瓷材料的方法，其特征在于，所述步骤S3中加入的聚乙烯醇(PVA)粘结剂，具体为1wt％～6wt％的PVA水溶液。

6.根据权利要求5所述的制备压电陶瓷材料的方法，其特征在于，所述步骤S3中压片过程的压力为6MPa，保压时间为30s，模具内直径为13mm。

7.根据权利要求6所述的制备压电陶瓷材料的方法，其特征在于，所述所述步骤S3中的排胶温度为550℃，保温时间为2h。

8.根据权利要求7所述的制备压电陶瓷材料的方法，其特征在于，所述步骤S4中的烧结温度为1000～1100℃，保温时间为2h。

9.根据权利要求8所的述制备压电陶瓷材料的方法，其特征在于，所述步骤S5中的烧银温度为550℃，保温时间30min。

10.据权利要求4-9中任意一项权利要求所述的制备压电陶瓷材料的方法，其特征在于，所述步骤S6中的极化电场为3.5kV/cm，极化时间为15min。