CN107602114A - 一种锆钛酸钡钙bczt压电陶瓷及其织构化制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷及其织构化制备方法，是以BaCO₃和TiO₂为主要原料，以CaCO₃和ZrO₂为惨杂剂，以SrTiO₃为晶种制成，其中，BaCO₃、TiO₂、CaCO₃和ZrO₂的摩尔比为（Ba_0.85Ca_0.15）（Zr_0.1Ti_0.9）O₃，SrTiO₃的质量百分比含量为2.5‑10%。本发明的压电陶瓷具有压电性能好，居里温度高，压电常数高的特点，且本发明的方法具有烧结温度低的特点。

Description

一种锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷及其织构化制备方法

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷及其织构化制备方法，特别是一种锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷及其织构化制备方法。

背景技术

压电陶瓷材料因具有机械能-电能相互转化的性能，被广泛地应用在航空航天、医疗、生活艺术等各领域。无铅压电陶瓷由于不含铅、不污染环境，符合人类社会可持续发展的要求，因而备受产业界和研究人员的青睐。其中，钛酸钡（BaTiO3，BT）基无铅陶瓷体系更是受到广泛关注。Ren等人通过对BT基无铅压电陶瓷的A位和B位同时进行复合掺杂改性，成功研制出高压电性能的Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-(Ba0.7Ca0.3)TiO3无铅压电陶瓷材料，该系的压电常数达620PC/N。通过对BT基的A位和B位同时进行复合掺杂改性，得到的新配方虽然提高了其压电性能，但是居里温度没有明显改善，反而更低了。因此，在保持BCZT基无铅压电陶瓷高压电性能的情况下，如何提高居里温度和压电常数，适当降低烧结温度成为BCZT陶瓷领域研究的新热点，具有很重大的研究价值和意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷及其织构化制备方法。本发明的压电陶瓷具有压电性能好，居里温度高，压电常数高的特点，且本发明的方法具有烧结温度低的特点。

本发明的技术方案：一种锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷，是以BaCO₃和TiO₂为主要原料，以CaCO₃和ZrO₂为惨杂剂，以SrTiO₃为晶种制成，其中，BaCO₃、TiO₂、CaCO₃和ZrO₂的摩尔比为（Ba_0.85Ca_0.15）（Zr_0.1Ti_0.9）O₃，SrTiO₃的质量百分比含量为2.5-10%。

前述的锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷，所述SrTiO₃的质量百分比含量为4-7%。

前述的锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷，所述SrTiO₃的质量百分比含量为5%。

一种如前述的锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷的织构化制备方法，包括如下步骤：

1）将BaCO₃、TiO₂、CaCO₃、ZrO₂和SrTiO₃分别烘干，得A品；

2）将A品混合并搅拌均匀，得B品；

3）将B品制成流延浆料，在流延机上流延挤出，制成80-120μm厚的流延料；

4）将3-10层流延料利用静等压机在20-30MPa压力下制成0.8-1.2mm厚度，裁剪成圆片，得C品；

5）将C品放入1250-1350℃下，保温2-4小时，随炉自然冷却，得D品；

6）将D品进行被电极和极化处理，得BCZT压电陶瓷。

前述的锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷的织构化制备方法，所述流延料的厚度为100μm。

前述的锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷的织构化制备方法，所述步骤4）中，是将多层流延料利用静等压机在20-30MPa压力下制成1mm厚度。

前述的锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷的织构化制备方法，所述步骤5）中，保温时间为3小时。

本发明的有益效果

与传统的BCZT基压电陶瓷相比，本发明的陶瓷具有更高的居里温度、压电常数和更低的烧结温度，同时，还具有良好的压电性能。

实验例

1、实验方法：

本实验例共设置四组实验，第一组为未掺杂晶种SrTiO₃的BCZT基压电陶瓷样品，第二组为使用本发明实施例1得到的压电陶瓷样品，第三组为使用本发明实施例2得到的压电陶瓷样品，第四组为使用本发明实施例3得到的压电陶瓷样品，四组压电陶瓷样品均采用GB/T3389-2008测试标准，分别对四组压电陶瓷样品的居里温度、烧结温度和压电常数进行测试。

第一组为未掺杂晶种SrTiO₃的BCZT基压电陶瓷样品，其中BaCO₃、TiO₂、CaCO₃、ZrO₂的摩尔比为（Ba_0.85Ca_0.15）（Zr_0.1Ti_0.9）O₃。其制备方法如下：

1）配料：取所述主要原料和晶种，分别烘干，备用；

2）混料：将烘干的主要原料和晶种混合，搅拌均匀，得混合料；

3）合成：将混合料配成流延浆料后，在流延机上流延挤出，得到100微米厚度的流延料；

4）压制：将多层流延料利用静等压机在25MPa压力下压制成1毫米厚度，剪裁成圆片，待烧结；

5）烧结：在1300~1310℃下，保温3个小时，随炉自然冷却后取出，得烧结物；

6）被电极和极化：将烧结物进行被电极和极化处理，得BCZT压电陶瓷。

2、实验结果：

不同晶种SrTiO₃添加量时，压电陶瓷的居里温度Tc和压电常数d33如图1所示，测试结果记录在表1中，从表1可以看出：与未掺杂晶种的压电陶瓷样品相比，晶种添加量过少时，不能充分发挥其作用，随着晶种量不断在增加，压电陶瓷的居里温度和压电常数均有所提高。

3、实验分析：

综合四组压电陶瓷样品的测试结果分析得出：为了保证居里温度和压电常数较高，同时烧结温度最低，钛酸锶（SrTiO3）晶种的添加量为5%时最佳。

附图说明

附图1为晶种添加量为0wt%、2.5wt%、5wt%、和7.5wt%时的压电陶瓷的居里温度Tc和压电常数d33。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

本发明的实施例

实施例1：一种锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷，是以BaCO₃和TiO₂为主要原料，以CaCO₃和ZrO₂为惨杂剂，以SrTiO₃为晶种制成，其中，BaCO₃、TiO₂、CaCO₃和ZrO₂的摩尔比为（Ba_0.85Ca_0.15）（Zr_0.1Ti_0.9）O₃，SrTiO₃的质量百分比含量为2.5%。

上述的锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷的织构化制备方法，步骤如下：

1）将BaCO₃、TiO₂、CaCO₃、ZrO₂和SrTiO₃分别烘干，得A品；

2）将A品混合并搅拌均匀，得B品：

3）将B品制成流延浆料，在流延机上流延挤出，制成80μm厚的流延料；

4）将6层流延料利用静等压机在20MPa压力下制成1.2mm厚度，裁剪成圆片，得C品；

5）将C品放入1250℃下，保温4小时，随炉自然冷却，得D品：

6）将D品进行被电极和极化处理，得BCZT压电陶瓷。

实施例2：一种锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷，是以BaCO₃和TiO₂为主要原料，以CaCO₃和ZrO₂为惨杂剂，以SrTiO₃为晶种制成，其中，BaCO₃、TiO₂、CaCO₃和ZrO₂的摩尔比为（Ba_0.85Ca_0.15）（Zr_0.1Ti_0.9）O₃，SrTiO₃的质量百分比含量为5%。

上述的锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷的织构化制备方法，步骤如下：

1）将BaCO₃、TiO₂、CaCO₃、ZrO₂和SrTiO₃分别烘干，得A品；

2）将A品混合并搅拌均匀，得B品：

3）将B品制成流延浆料，在流延机上流延挤出，制成100μm厚的流延料；

4）将3层流延料利用静等压机在25MPa压力下制成1mm厚度，裁剪成圆片，得C品；

5）将C品放入1300℃下，保温3小时，随炉自然冷却，得D品：

6）将D品进行被电极和极化处理，得BCZT压电陶瓷。

实施例3：一种锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷，是以BaCO₃和TiO₂为主要原料，以CaCO₃和ZrO₂为惨杂剂，以SrTiO₃为晶种制成，其中，BaCO₃、TiO₂、CaCO₃和ZrO₂的摩尔比为（Ba_0.85Ca_0.15）（Zr_0.1Ti_0.9）O₃，SrTiO₃的质量百分比含量为10%。

上述的锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷的织构化制备方法，步骤如下：

1）将BaCO₃、TiO₂、CaCO₃、ZrO₂和SrTiO₃分别烘干，得A品；

2）将A品混合并搅拌均匀，得B品：

3）将B品制成流延浆料，在流延机上流延挤出，制成120μm厚的流延料；

4）将10层流延料利用静等压机在30MPa压力下制成0.8mm厚度，裁剪成圆片，得C品；

5）将C品放入1350℃下，保温2小时，随炉自然冷却，得D品：

6）将D品进行被电极和极化处理，得BCZT压电陶瓷。

Claims (7)

1.一种锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷，其特征在于：是以BaCO₃和TiO₂为主要原料，以CaCO₃和ZrO₂为惨杂剂，以SrTiO₃为晶种制成，其中，BaCO₃、TiO₂、CaCO₃和ZrO₂的摩尔比为（Ba_0.85Ca_0.15）（Zr_0.1Ti_0.9）O₃，SrTiO₃的质量百分比含量为2.5-10%。

2.如权利要求1所述的锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷，其特征在于：所述SrTiO₃的质量百分比含量为4-7%。

3.如权利要求2所述的锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷，其特征在于：所述SrTiO₃的质量百分比含量为5%。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷的织构化制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将BaCO₃、TiO₂、CaCO₃、ZrO₂和SrTiO₃分别烘干，得A品；

2）将A品混合并搅拌均匀，得B品；

3）将B品制成流延浆料，在流延机上流延挤出，制成80-120μm厚的流延料；

4）将3-10层流延料利用静等压机在20-30MPa压力下制成0.8-1.2mm厚度，裁剪成圆片，得C品；

5）将C品放入1250-1350℃下，保温2-4小时，随炉自然冷却，得D品；

6）将D品进行被电极和极化处理，得BCZT压电陶瓷。

5.如权利要求4所述的锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷的织构化制备方法，其特征在于：所述流延料的厚度为100μm。

6.如权利要求4所述的锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷的织构化制备方法，其特征在于：所述步骤4）中，是将多层流延料利用静等压机在20-30MPa压力下制成1mm厚度。

7.如权利要求4所述的锆钛酸钡钙BCZT压电陶瓷的织构化制备方法，其特征在于：所述步骤5）中，保温时间为3小时。