CN110872190A - 一种调节介电材料表观挠曲电效应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种调节介电材料表观挠曲电效应的方法，将经过固相烧结法制备得到的介电材料进行物理打磨。本发明采用物理打磨的方法将经过固相烧结法制备得到的介电材料的表面作用层部分或全部去除，通过减小片状材料的表面作用层的厚度，改变表面作用层对材料挠曲电的影响程度，进而控制材料的挠曲电性能。本发明使用纯机械方式调节，工艺过程简单可行，不影响材料的其它性能。并且，表面作用层的厚度在二十微米以内，对材料形状没有影响。

Description

一种调节介电材料表观挠曲电效应的方法
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种调节介电材料表观挠曲电效应的方法。
背景技术
挠曲电效应是一种普遍存在的物理现象，被定义为材料在应变梯度作用下的电极化响应现象(正挠曲电效应)，或者在电场梯度作用下的应力响应现象(逆挠曲电效应)。挠曲电效应与压电效应类似都是在外界机械力作用下产生电学信号响应现象，但是挠曲电效应与压电效应又有几点不同。首先，挠曲电效应可以存在于所有的介电材料中，没有晶体结构对称性的限制。其次，现在常用的压电材料的都是经过极化作用之后的铁电材料，因为常规铁电材料内的自发极化方向是随机排列的，整体不表现出压电性。经过极化后，自发极化方向排列取向，表现出压电性，所以当温度超过退极化温度时会发生压电性消失的现象。但是材料的挠曲电效应不需要经过这么复杂的过程。所以，通过对材料结构或几何形状的设计出来的挠曲电压电复合材料具有传统压电材料不可能具备的优点：(1)挠曲电压电复合材料的选材广泛，不受材料的对称性限制；(2)挠曲电压电复合材料的由于没有受相变温度的限制而具有更加广泛的使用温度。
由于挠曲电压电材料的表观压电响应完全来源于材料的挠曲电效应，所以调节材料的压电响应的方法就是控制材料的挠曲电性能强弱。一些方法可以用来调节材料的挠曲电系数。比如可以调节材料的介电常数，进而改变材料的挠曲电效应。其次，由于挠曲电效应具有尺寸效应，即在较小尺度小可以产生较大的应变梯度，从而产生较强的挠曲电效应，因此改变尺寸可以改变挠曲电响应。但是，上述方法制备过程复杂，影响材料的其他性能。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种调节介电材料表观挠曲电效应的方法，本发明提供的方法简单，不影响材料的其他性能以及形状。
本发明提供了一种调节介电材料表观挠曲电效应的方法，将介电材料进行物理打磨。
本发明以介电材料作为调节介电材料表观挠曲电效应的原料。
其中，所述介电材料选自铁电陶瓷材料。在本发明的一些具体实施方式中，所述介电陶瓷材料选自钛酸铋钠基陶瓷、钛酸钡、钛酸锶、钛酸铅、锆酸铅、铁酸铋、铌酸钾纳铁电氧化物和由上述成分的掺杂物，以及由上述成分组成的二元和多元固溶体。在本发明的一些具体实施方式中，所述钛酸铋钠基陶瓷选自0.92Na1/2Bi1/2TiO3-0.08BaTiO3陶瓷、BaTiO3陶瓷或硬性掺杂的锆钛酸铅铁电陶瓷(PZT-81)。
在本发明中，对所述介电材料的来源并没有特殊限制，可以自行制备，也可以为市售产品，其中，对于自行制备的方法没有特殊限制，本领域技术人员公知的能够得到介电材料的方法都可以应用于本发明。
在本发明中，在进行介电材料制备时，优选采用
本发明所述的固相烧结法具体为：
将制备介电材料的原料球磨后混合，进行预烧，得到预烧产物；
将所述预烧产物球磨加入粘结剂进行压制后进行烧结，得到片层介电材料。
其中，所述预烧的温度为650-1200℃，优选为850～1000℃，预烧的时间为2小时；
所述烧结的温度为800～1450℃，优选为1180～1200℃，所述烧结的时间为1小时。
在刚烧结好的或经过高温热处理的陶瓷片表面，有一层微米级的表面作用层，它与材料的内部体相材料化学组成相同，但在结构和物理性能上有所不同，而且可以具有压电响应。如图1所示，图1为经过固相烧结法制备得到的介电材料断面的结构示意图。此表面作用层的存在对陶瓷材料的挠曲电性能影响作用非常大。本发明通过减小片状陶瓷材料的表面作用层的厚度，改变表面作用层对材料挠曲电的影响程度，进而控制材料的挠曲电性能。在通常情况下，经过固相烧结后，材料表面的两面作用层厚度是一样的，本发明通过打磨使一面或双面的表面作用层减薄甚至去除，来控制片状陶瓷材料的挠曲电性能。
在本发明中，所述物理打磨为干法打磨、湿法打磨、粗磨或细磨中的一种或多种。
所述的打磨的厚度为小于50μm。优选为1～40μm，进一步优选为1～20μm。
所述打磨可以为将表面作用层部分去除或全部去除。所述打磨为单面打磨或双面打磨。
在本发明的一些具体实施方式中，在经过固相烧结法制备得到的介电材料之后以及物理打磨之前，还包括将所述经过固相烧结法制备得到的介电材料表面磨平后进行热处理。
其中，对于所述磨平的要求为磨去厚度为1～50μm使样品厚度均匀即可。
所述热处理的温度在高于所用铁电陶瓷材料居里温度或介电峰值温度至陶瓷材料烧结温度之间，所述热处理的时间为0～120min。
与现有技术相比，本发明提供了一种调节介电材料表观挠曲电效应的方法，将经过固相烧结法制备得到的介电材料进行物理打磨。本发明采用物理打磨的方法将经过固相烧结法制备得到的介电材料的表面作用层部分或全部去除，通过减小片状材料的表面作用层的厚度，改变表面作用层对材料挠曲电的影响程度，进而控制材料的挠曲电性能。本发明使用纯机械方式调节，工艺过程简单可行，不影响材料的其它性能。并且，表面作用层的厚度在二十微米以内，对材料形状没有影响。
附图说明
图1为经过固相烧结法制备得到的介电材料断面的结构示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的调节介电材料表观挠曲电效应的方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1：
利用传统的固相合成法制备的0.92Na1/2Bi1/2TiO3-0.08BaTiO3陶瓷片，即将一定比例的Bi2O3，Na2CO3，BaCO3，TiO2(分析纯，国药集团)加入酒精球磨6-8小时后烘干，在850℃保温2小时合成。然后将合成后的粉体球磨，加入适当的粘结剂，压成直径为25.4mm圆片，在1180-1200℃下保温1小时烧结。烧结好的陶瓷片直径约为20毫米，厚度约0.5毫米，烧结好后直接测量挠曲电系数为25.1μC/m。
从陶瓷片的双面各打磨除去约50μm厚度后，测量挠曲电系数约为-1.7μC/m。
实施例2：
将实施例1中的传统的固相合成法制备的0.92Na1/2Bi1/2TiO3-0.08BaTiO3陶瓷片，直径约为20毫米，烧结好后双面打磨至厚度约为厚度约0.4毫米，在300℃热处理30分钟后，测量挠曲电系数为30.8μC/m。从陶瓷片的一面打磨除去约10μm厚度后，测量挠曲电系数约为18.2μC/m。
实施例3：
利用实施例1中传统的固相合成法制备的0.92Na1/2Bi1/2TiO3-0.08BaTiO3陶瓷片，直径约为20毫米，烧结好后双面打磨至厚度约为0.4毫米，在300℃热处理30分钟后，测量挠曲电系数为29.7μC/m。从陶瓷片的双面各打磨除去约5μm厚度后，测量挠曲电系数约为7.6μC/m。
实施例4：
利用实施例1中传统的固相合成法制备的0.92Na1/2Bi1/2TiO3-0.08BaTiO3陶瓷片。直径约为20毫米，烧结好后双面打磨至厚度约为厚度约0.4毫米，在300℃热处理30分钟后，测量挠曲电系数为32.1μC/m。从陶瓷片的双面各打磨除去约10μm厚度后，测量挠曲电系数约为2.9μC/m。
实施例5：
利用实施例1中传统的固相合成法制备的0.92Na1/2Bi1/2TiO3-0.08BaTiO3陶瓷片。直径约为20毫米，烧结好后双面打磨至厚度约为厚度约0.4毫米，在300℃热处理30分钟后，测量挠曲电系数为31.9μC/m。从陶瓷片的双面各打磨除去约20μm厚度后，测量挠曲电系数约为1.6μC/m。
实施例6：
利用传统的固相合成法制备的BaTiO3陶瓷，即按照化学式配比一定量的BaCO3和TiO2(分析纯，国药集团)加入酒精球磨6小时后烘干，在1200℃保温2小时合成。然后将合成后的粉体球磨，加入适当的粘结剂，压成直径为12.7mm圆片，排塑后在1300℃下保温2小时烧结后直径约为10毫米。将陶瓷片双面磨平至厚度约为0.5毫米，在300℃热处理30分钟后，测量挠曲电系数为214.7μC/m。从陶瓷片的双面各打磨除去约20μm厚度后，测量挠曲电系数约为30.8μC/m。
实施例7：
利用购买的硬性掺杂的锆钛酸铅铁电陶瓷(PZT-81)，将陶瓷两面磨平(直径25mm，厚度0.5mm)，在350℃热处理30分钟后，测量挠曲电系数为24μC/m。从陶瓷片的双面各打磨除去约20μm厚度后，测量挠曲电系数约为10.8μC/m。
以上所述仅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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种调节介电材料表观挠曲电效应的方法，其特征在于，将介电材料的表面进行物理打磨。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介电材料选自铁电陶瓷材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述铁电陶瓷材料选自钛酸铋钠基陶瓷、钛酸钡、钛酸锶、钛酸铅、锆酸铅、铁酸铋、铌酸钾纳铁电氧化物和由上述成分的掺杂物，以及由上述成分组成的二元或多元固溶体。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介电材料经过固相烧结法制备得到，所述固相烧结法具体为：
将制备介电材料的原料球磨后混合，进行预烧，得到预烧产物；
将所述预烧产物球磨加入粘结剂进行压制后进行烧结，得到片层介电材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预烧的温度为650～1200℃，预烧的时间为2小时；
所述烧结的温度为800～1450℃，所述烧结的时间为1小时。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物理打磨为干法打磨、湿法打磨、粗磨或细磨中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述打磨的厚度为＜50μm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述打磨为单面打磨或双面打磨。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在经过固相烧结法制备得到的介电材料之后以及物理打磨之前，还包括将所述经过固相烧结法制备得到的介电材料表面磨平后进行热处理。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磨平的厚度为大于0cm且小于样品厚度；所述热处理的温度为在高于所用介电陶瓷材料居里温度或介电峰值温度至陶瓷材料烧结温度之间，所述热处理的时间为0～120min。
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