CN114315346A - 一种双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法 - Google Patents
一种双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114315346A CN114315346A CN202111510404.1A CN202111510404A CN114315346A CN 114315346 A CN114315346 A CN 114315346A CN 202111510404 A CN202111510404 A CN 202111510404A CN 114315346 A CN114315346 A CN 114315346A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ball milling
- ceramic
- template
- double
- tio
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
本发明公开一种双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法，首先制备陶瓷超细粉体；采用两种片状微晶模板与粉体、有机溶剂和助剂混合均匀，经过球磨制浆、流延、叠压、温等静压、切割、排胶、冷等静压、烧结，得到双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷。所述两种片状微晶模板，第一种为Bi0.5Na0.5TiO3或Bi0.5Na0.5TiO3‑0.7BaTiO3，第二种为NbNaO3、SrTiO3或BaTiO3，与粉体的质量比为1：(0.01‑0.3)。本发明制得的大应变无铅压电织构化陶瓷为弛豫铁电相，相比于原有非织构情况下的压电陶瓷，其逆压电系数大大提高，提高其电致应变特性，织构度达到90％，质量更好。
Description
技术领域
本发明涉及功能陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种双模板织构的大应变无 铅压电织构化陶瓷的制备方法。
背景技术
压电材料可以实现机械能和电能之间的转换，被广泛运用在驱动器、换能 器、传感器等领域。
目前，在大规模生产和使用的压电陶瓷主要以锆钛酸铅PZT体系为主。虽然 PZT基陶瓷综合性能优异，但是铅元素的环境不相容问题自21世纪初以来越来越 受到人们的关注。与此同时，欧盟的RoHS的相关立法也加速了环境友好型的高 性能无铅压电陶瓷的研究开发。
钛酸铋钠(BNT)基无铅陶瓷具有较高的居里温度(320℃)、较大的剩余 极化强度(38μC/cm2)，并且可以产生大电致应变，被认为是最能够替代铅基 的无铅陶瓷体系之一。但是，纯的BNT陶瓷有着压电性能较小、合成温区先对 较窄、元素易挥发等不足。为了解决这些问题、提高压电性能，人们在BNT中 引入其他钙钛矿结构的物质形成固溶体，以此形成准同型相界(MPB)。最有 代表性的既有BNT-ST、BNT-BT、BNT-KBT、BNT-KNN等。
我们知道，不同晶体学方向上的压电性能都不相同，在其中某一个方向具 有最佳的压电性能，这个方向称为压电性能优势方向。最近的工作表明，单晶 BNT-BT-KNN压电陶瓷则在(001)方向有着较大的电致应变性能。但是单晶生 长不仅成本昂贵，且制备过程中容易产生成分偏析。使用模板晶粒生长法的织 构化陶瓷可以实现陶瓷在某一方向具有高度晶粒取向(高织构度)。其通过将 陶瓷制备成流延浆料，加入有着固定生长方向的模板晶粒搅拌均匀，经过烧结 热处理以后，能够使得陶瓷晶粒在某些方向定向生长。
考虑到陶瓷基体与模板之间晶格常数、元素价态是否匹配的因素，常见的 可以用在BNT基陶瓷中的模板晶粒有BNT模板与NN模板。但是在使用BNT模板 织构BNT基陶瓷的时候，BNT模板会反应进基体中，使得陶瓷的成分会偏离MPB 区域，偏向铁电相。如果使用NN模板织构BNT基陶瓷的时候，NN模板不会与 BNT基陶瓷反应，会成为第二相复合在陶瓷中。但是NN模板织构的陶瓷会给使 得陶瓷更向弛豫相转变。另外，NN模板是正交晶系，织构的晶体结构也会部分 偏离原先的晶体结构。所以综上所述，这两种模板单独织构BNT基陶瓷都无法 完全保持BNT非织构前的MPB的相结构，使得其压电性能、电致应变特性并不 能充分的提高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种双模板织构的大应变无 铅压电织构化陶瓷的制备方法，其基于现有织构化BNT无铅压电陶瓷的工作特点， 通过调控BNT与NN模板在钛酸铋钠无铅陶瓷中的质量比，以控制陶瓷的相结构， 提高其电致应变特性。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：
一种双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
(1)将陶瓷基料以乙醇为介质，经一次球磨、干燥、预烧、二次球磨、干 燥后，获得陶瓷超细粉体，所述陶瓷基料选自(1-X)Bi0.5Na0.5TiO3-XSrTiO3、 (1-Y-Z)Bi0.5Na0.5TiO3-YBaTiO3-ZFeNbO3、(1-Y-Z)Bi0.5Na0.5TiO3-YBaTiO3-ZAgNbO3中的一种，其中0≤X≤0.4，0.05≤Y≤0.07，0≤Z≤0.05；
(2)流延浆料的制备：将陶瓷超细粉体与乙醇-二甲苯的混合液置于球磨罐， 以锆球为磨球，球磨12h-36h，球磨速率设定为180-300r/min；然后向球磨罐中加 入分散剂与除泡剂，球磨12h-36h，球磨速率设定为180-250r/min；之后再向球磨 罐里加入粘结剂和增塑剂，球磨12h-36h，球磨速率设定为180-250r/min，得到基 体浆料；最后将称量好的双片状微晶模板加入基体浆料中，球磨15-60min，球磨 速率设定为90-150r/min，得到流延浆料；所述双片状微晶模板包括两种片状微 晶模板，一种片状微晶模板为Bi0.5Na0.5TiO3或Bi0.5Na0.5TiO3-0.7BaTiO3，另一种片 状微晶模板为NbNaO3、SrTiO3或BaTiO3；
(3)将流延浆料经80-150目纱网过滤，真空除泡后，在流延机上进行流延 成型，流延速度为0.8cm/s-3cm/s，流延膜厚度为60-400μm，得到生瓷膜片。
(4)对生瓷膜片进行叠压，叠压压力为30MPa，上压台的温度为30℃，下 压台为35℃；
(5)对生瓷膜片进行温等静压，静压时间为0.5-1.5h，温度为60-90℃，压 力为20-60MPa，然后用切割机进行切割，得到陶瓷材料生坯；
(6)将陶瓷材料生坯经排胶、冷等静压工序后进行烧结，得到双模板织构 的大应变无铅压电织构化陶瓷。
进一步地，所述步骤(1)中球磨时间为12h-36h，预烧温度为750-900℃， 球磨时间为12h-36h。
进一步地，所述步骤(2)中陶瓷超细粉体：乙醇-二甲苯：分散剂：除泡剂： 粘结剂：增塑剂：双片状微晶模板的质量比是1：(0.6-1.2)：(0.001-0.005)： (0.001-0.005)：(0.005-0.1)：(0.006-0.06)：(0.01-0.3)。
进一步地，所述乙醇-二甲苯的混合比例为1:1，所述分散剂为鲱鱼油或三乙 醇胺，所述除泡剂为正丁醇，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，所述增塑剂为邻 苯二甲酸二丁酯或聚乙二醇。
进一步地，所述双片状微晶模板长度为5-30微米，径向比>10。
进一步地，所述步骤(6)中排胶过程为以0.1-0.5℃/min的升温速率，在 150-180℃保温0.5-2h，在400-450℃保温0.5-2h，在550-600℃保温0.5-2h；冷等静 压的压力为100-300MPa，时间为1-10min；烧结方式为埋烧法，烧结时间为3h， 烧结温度是1200℃。
进一步地，所述陶瓷超细粉体通过以下过程制得：根据 (1-X)Bi0.5Na0.5TiO3-XSrTiO3化学配比称量一定量的Bi2O3、Na2CO3、TiO2和SrCO3； 将称量好的料放入以乙醇为介质、锆球为磨球的球磨罐中球磨12-36h；将球磨好 的料烘干，在750-900℃预烧2-5h得到预烧粉；将预烧粉再次放入球磨罐中球磨 12h-36h，烘干后得到陶瓷超细粉体。
进一步地，所述陶瓷超细粉体通过以下过程制得：根据 (1-Y-Z)Bi0.5Na0.5TiO3-YBaTiO3-ZFeNbO3化学配比称量一定量的Bi2O3、Na2CO3、 TiO2、BaTiO3、Nb2O5和Fe2O3；将称量好的料放入以乙醇为介质、锆球为磨球的 球磨罐中球磨12-36h；将球磨好的料烘干，在750-900℃预烧2-5h得到预烧粉； 将预烧粉再次放入球磨罐中球磨12h-36h，烘干后得到陶瓷超细粉体。
进一步地，所述陶瓷超细粉体通过以下过程制得：根据 (1-Y-Z)Bi0.5Na0.5TiO3-YBaTiO3-ZAgNbO3化学配比称量一定量的Bi2O3、Na2CO3、 TiO2、BaTiO3、Nb2O5和Ag2SCO3；将称量好的料放入以乙醇为介质、锆球为磨 球的球磨罐中球磨12-36h；将球磨好的料烘干，在750-900℃预烧2-5h得到预烧 粉；将预烧粉再次放入球磨罐中球磨12h-36h，烘干后得到陶瓷超细粉体。
本发明的有益效果为：
本发明通过将双片状微晶模板与粉体、有机溶剂和助剂混合均匀，经过球 磨制浆、流延、叠压、温等静压、切割、排胶、冷等静压、烧结，得到双模板 织构的大应变无铅压电织构化陶瓷。所述的大应变无铅压电织构化陶瓷采用两 种片状微晶模板定向生长，第一种片状微晶模板为Bi0.5Na0.5TiO3或 Bi0.5Na0.5TiO3-0.7BaTiO3，第二种片状微晶模板为NbNaO3、SrTiO3或BaTiO3， 微晶模板与粉体的质量比为1：(0.01-0.3)。本发明制得的大应变无铅压电织 构化陶瓷为弛豫铁电相，相比于原有非织构情况下的压电陶瓷，其逆压电系数大大提高，提高其电致应变特性，织构度达到90％，质量更好，制备的钛酸铋 钠基织构陶瓷可广泛应用于高精度的压电致动器等方面。
附图说明
图1是:本发明实施例2、6、9所制备的双模板织构无铅压电织构化陶瓷及 的截面扫描电镜图；
图2是：对比例1、2所制备的单一模板织构无铅压电织构化陶瓷的截面扫 描电镜图；
图3是：本发明实施例2、6、9所制备的双模板织构无铅压电织构化陶瓷 及对比例1、2所制备的单一模板织构无铅压电织构化陶瓷的XRD数据与织构度；
图4是：本发明实施例2、6、9所制备的双模板织构无铅压电织构化陶瓷 的应变性能汇总图；
图5是：本发明实施例2与对比例1，2所制备的无铅压电织构化陶瓷的应 变性能随电场变化规律对比图。
其中:图中(a)为实施例2；(b)为实施例6；(c)为实施例9；(d)为对比例1； (e)为对比例2。
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优选实施方案进行描述， 但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本 发明权利要求的限制。
本发明所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的 常规产品。
实施例1
(1)按化学式(1-X)Bi0.5Na0.5TiO3-XSrTiO3(X＝0)称量116.49重量份的Bi2O3、26.50重量份的Na2CO3、79.87重量份的TiO2，以乙醇为球磨介质进行研磨12h及 烘干以得到粉体，将烘干后的粉体在750℃预烧5h；将预烧后的粉体以乙醇为介 质，球磨36h及烘干得到陶瓷超细粉体。
(2)流延浆料的制备：将100重量份的陶瓷超细粉体与120重量份的乙醇- 二甲苯混合溶液置于球磨罐，以锆球为磨球，球磨12h，球磨速率设定为300r/min； 然后向球磨罐中加入0.5重量份的鲱鱼油与0.5重量份的正丁醇，球磨36h，球磨 速率设定为180r/min；之后再向球磨罐里加入10重量份的聚乙烯醇缩丁醛和6重 量份的邻苯二甲酸二丁酯，球磨12h，球磨速率设定为250r/min，得到基体浆料； 最后将称量好的15重量份的Bi0.5Na0.5TiO3片状微晶模板和15重量份的NbNaO3片 状微晶模板双片状微晶模板加入基体浆料中，其中Bi0.5Na0.5TiO3片状微晶模板长 度为20微米，径向比>10，NbNaO3片状微晶模板长度为5微米，径向比>10，球 磨15min，球磨速率设定为150r/min，得到流延浆料；
(3)将流延浆料经80目纱网过滤，真空除泡后，在流延机上进行流延成型， 流延速度为0.8cm/s，流延膜厚度为60μm，得到生瓷膜片。
(4)对生瓷膜片进行叠压，叠压压力为30MPa，上压台的温度为30℃，下 压台为35℃；
(5)对生瓷膜片进行温等静压，静压时间为0.5h，温度为90℃，压力为20MPa， 然后用切割机进行切割，得到陶瓷材料生坯；
(6)将陶瓷材料生坯以0.1℃/min的升温速率，在150℃保温0.5h，在400℃ 保温0.5h，在550℃保温0.5h；冷等静压的压力为100MPa，时间为10min进行排 胶，然后以埋烧法进行烧结，烧结时间为3h，烧结温度是1200℃，得到双模板 织构的大应变无铅压电织构化陶瓷。
实施例2
(1)按化学式(1-X)Bi0.5Na0.5TiO3-XSrTiO3(X＝0.25)称量87.37重量份的Bi2O3、19.87重量份的Na2CO3、79.87重量份的TiO2、36.91重量份的SrCO3，以乙醇为球 磨介质进行研磨24h及烘干以得到粉体，将烘干后的粉体在900℃预烧2h；将预 烧后的粉体以乙醇为介质，球磨24h及烘干得到陶瓷超细粉体。
(2)流延浆料的制备：将100重量份的陶瓷超细粉体与100重量份的乙醇- 二甲苯混合溶液置于球磨罐，以锆球为磨球，球磨24h，球磨速率设定为250r/min； 然后向球磨罐中加入0.3重量份的三乙醇胺与0.3重量份的正丁醇，球磨24h，球 磨速率设定为200r/min；之后再向球磨罐里加入5重量份的聚乙烯醇缩丁醛和4重 量份的聚乙二醇，球磨24h，球磨速率设定为200r/min，得到基体浆料；最后将 称量好的10重量份的Bi0.5Na0.5TiO3-0.7BaTiO3片状微晶模板和10重量份的SrTiO3片状微晶模板加入基体浆料中，其中Bi0.5Na0.5TiO3-0.7BaTiO3片状微晶模板长度 为5微米，径向比>10，SrTiO3片状微晶模板长度为30微米，径向比>10，球磨20min， 球磨速率设定为120r/min，得到流延浆料；
(3)将流延浆料经120目纱网过滤，真空除泡后，在流延机上进行流延成 型，流延速度为1cm/s，流延膜厚度为100μm，得到生瓷膜片。
(4)对生瓷膜片进行叠压，叠压压力为30MPa，上压台的温度为30℃，下 压台为35℃；
(5)对生瓷膜片进行温等静压，静压时间为1h，温度为80℃，压力为40MPa， 然后用切割机进行切割，得到陶瓷材料生坯；
(6)将陶瓷材料生坯以0.3℃/min的升温速率，在150℃保温1h，在400℃保 温1h，在550℃保温1h；冷等静压的压力为200MPa，时间为5min进行排胶，然 后以埋烧法进行烧结，烧结时间为3h，烧结温度是1200℃，得到双模板织构的 大应变无铅压电织构化陶瓷。
实施例3
(1)按化学式(1-X)Bi0.5Na0.5TiO3-XSrTiO3(X＝0.4)称量69.89重量份的Bi2O3、15.90重量份的Na2CO3、79.87重量份的TiO2、59.05重量份的SrCO3，以乙醇为球 磨介质进行研磨36h及烘干以得到粉体，将烘干后的粉体在800℃预烧3h；将预 烧后的粉体以乙醇为介质，球磨36h及烘干得到陶瓷超细粉体。
(2)流延浆料的制备：将100重量份的陶瓷超细粉体与60重量份的乙醇-二 甲苯混合溶液置于球磨罐，以锆球为磨球，球磨36h，球磨速率设定为180r/min； 然后向球磨罐中加入0.1重量份的鲱鱼油与0.1重量份的正丁醇，球磨36h，球磨 速率设定为180r/min；之后再向球磨罐里加入0.5重量份的聚乙烯醇缩丁醛和0.6 重量份的邻苯二甲酸二丁酯，球磨36h，球磨速率设定为180r/min，得到基体浆 料；最后将称量好的0.5重量份的Bi0.5Na0.5TiO3-0.7BaTiO3片状微晶模板和0.5重量 份的BaTiO3片状微晶模板加入基体浆料中，其中Bi0.5Na0.5TiO3-0.7BaTiO3片状微 晶模板长度为30微米，径向比>10，BaTiO3片状微晶模板长度为10微米，径向 比>10，球磨30min，球磨速率设定为90r/min，得到流延浆料；
(3)将流延浆料经150目纱网过滤，真空除泡后，在流延机上进行流延成 型，流延速度为3cm/s，流延膜厚度为60μm，得到生瓷膜片。
(4)对生瓷膜片进行叠压，叠压压力为30MPa，上压台的温度为30℃，下 压台为35℃；
(5)对生瓷膜片进行温等静压，静压时间为1.5h，温度为60℃，压力为60MPa， 然后用切割机进行切割，得到陶瓷材料生坯；
(6)将陶瓷材料生坯以0.5℃/min的升温速率，在150℃保温2h，在400℃保 温2h，在550℃保温2h；冷等静压的压力为300MPa，时间为1min进行排胶，然 后以埋烧法进行烧结，烧结时间为3h，烧结温度是1200℃，得到双模板织构的 大应变无铅压电织构化陶瓷。
实施例4
本实施例的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法与实施例 2的不同点在于步骤(1)，具体为：按化学式 (1-Y-Z)Bi0.5Na0.5TiO3-YBaTiO3-ZFeNbO3(Y＝0.05，Z＝0)称量11.18重量份的Bi2O3、 2.53重量份的Na2CO3、8.15重量份的TiO2、1.00重量份的BaCO3，以乙醇为球磨 介质进行研磨24h及烘干以得到粉体，将烘干后的粉体在900℃预烧2h；将预烧 后的粉体以乙醇为介质，球磨24h及烘干得到陶瓷超细粉体。
实施例5
本实施例的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法与实施例 2的不同点在于步骤(1)，具体为：按化学式 (1-Y-Z)Bi0.5Na0.5TiO3-YBaTiO3-ZFeNbO3(Y＝0.06，Z＝0.03)称量11.18重量份的Bi2O3、 2.53重量份的Na2CO3、7.74重量份的TiO2、1.00重量份的BaCO3、0.20重量份的 Nb2O5、0.33重量份的Fe2O3，以乙醇为球磨介质进行研磨24h及烘干以得到粉体， 将烘干后的粉体在900℃预烧2h；将预烧后的粉体以乙醇为介质，球磨24h及烘 干得到陶瓷超细粉体。
实施例6
本实施例的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法与实施例 2的不同点在于步骤(1)，具体为：按化学式(1-Y-Z)Bi0.5Na0.5TiO3-YBaTiO3-ZFeNbO3(Y＝0.07，Z＝0.05)称量11.00重量份的Bi2O3、 2.49重量份的Na2CO3、7.93重量份的TiO2、1.30重量份的BaCO3、0.11重量份的 Nb2O5、0.18重量份的Fe2O3，以乙醇为球磨介质进行研磨24h及烘干以得到粉体， 将烘干后的粉体在900℃预烧2h；将预烧后的粉体以乙醇为介质，球磨24h及烘干得到陶瓷超细粉体。
实施例7
本实施例的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法与实施例 2的不同点在于步骤(1)，具体为：按化学式 (1-Y-Z)Bi0.5Na0.5TiO3-YBaTiO3-ZAgNbO3(Y＝0.05，Z＝0)称量11.18重量份的Bi2O3、 2.53重量份的Na2CO3、8.15重量份的TiO2、1.00重量份的BaCO3，以乙醇为球磨 介质进行研磨24h及烘干以得到粉体，将烘干后的粉体在900℃预烧2h；将预烧 后的粉体以乙醇为介质，球磨24h及烘干得到陶瓷超细粉体。
实施例8
本实施例的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法与实施例 2的不同点在于步骤(1)，具体为：按化学式 (1-Y-Z)Bi0.5Na0.5TiO3-YBaTiO3-ZAgNbO3(Y＝0.05，Z＝0.05)称量11.18重量份的Bi2O3、 2.53重量份的Na2CO3、8.15重量份的TiO2、1.00重量份的BaCO3、0.33重量份的 Nb2O5、0.35重量份的Ag2CO3，，以乙醇为球磨介质进行研磨24h及烘干以得到 粉体，将烘干后的粉体在900℃预烧2h；将预烧后的粉体以乙醇为介质，球磨24h及烘干得到陶瓷超细粉体。
实施例9
本实施例的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法与实施例 2的不同点在于步骤(1)，具体为：按化学式(1-Y-Z)Bi0.5Na0.5TiO3-YBaTiO3-ZAgNbO3(Y＝0.065，Z＝0.03)称量11.00重量份的 Bi2O3、2.49重量份的Na2CO3、7.91重量份的TiO2、1.30重量份的BaCO3、0.20重 量份的Nb2O5、0.21重量份的Ag2CO3，以乙醇为球磨介质进行研磨24h及烘干以 得到粉体，将烘干后的粉体在900℃预烧2h；将预烧后的粉体以乙醇为介质，球 磨24h及烘干得到陶瓷超细粉体。
对比例1
本实施例的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法与实施例 2的不同点在于步骤(2)，具体为：流延浆料的制备：将100重量份的陶瓷超细 粉体与100重量份的乙醇-二甲苯混合溶液置于球磨罐，以锆球为磨球，球磨24h， 球磨速率设定为250r/min；然后向球磨罐中加入0.3重量份的三乙醇胺与0.3重量 份的正丁醇，球磨24h，球磨速率设定为200r/min；之后再向球磨罐里加入5重量 份的聚乙烯醇缩丁醛和4重量份的聚乙二醇，球磨24h，球磨速率设定为200r/min， 得到基体浆料；最后将称量好的20重量份的Bi0.5Na0.5TiO3片状微晶模板加入基体 浆料中，Bi0.5Na0.5TiO3片状微晶模板长度为20微米，径向比>10，球磨20min，球 磨速率设定为120r/min，得到流延浆料。
对比例2
本实施例的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法与实施例 2的不同点在于步骤(2)，具体为：流延浆料的制备：将100重量份的陶瓷超细 粉体与100重量份的乙醇-二甲苯混合溶液置于球磨罐，以锆球为磨球，球磨24h， 球磨速率设定为250r/min；然后向球磨罐中加入0.3重量份的三乙醇胺与0.3重量 份的正丁醇，球磨24h，球磨速率设定为200r/min；之后再向球磨罐里加入5重量 份的聚乙烯醇缩丁醛和4重量份的聚乙二醇，球磨24h，球磨速率设定为200r/min， 得到基体浆料；最后将称量好的20重量份的NbNaO3微晶模板加入基体浆料中，NbNaO3片状微晶模板长度为25微米，径向比>10，球磨20min，球磨速率设定为 120r/min，得到流延浆料。
对比例3
本实施例的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法与实施例 8的不同点在于步骤(2)，具体为：流延浆料的制备：将100重量份的陶瓷超细 粉体与100重量份的乙醇-二甲苯混合溶液置于球磨罐，以锆球为磨球，球磨24h， 球磨速率设定为250r/min；然后向球磨罐中加入0.3重量份的三乙醇胺与0.3重量 份的正丁醇，球磨24h，球磨速率设定为200r/min；之后再向球磨罐里加入5重量 份的聚乙烯醇缩丁醛和4重量份的聚乙二醇，球磨24h，球磨速率设定为200r/min， 得到基体浆料；最后将称量好的20重量份的Bi0.5Na0.5TiO3-0.7BaTiO3微晶模板加 入基体浆料中，Bi0.5Na0.5TiO3-0.7BaTiO3片状微晶模板长度为45微米，径向比>10， 球磨20min，球磨速率设定为120r/min，得到流延浆料。
对比例4
本实施例的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法与实施例 2的不同点在于步骤(2)，具体为：流延浆料的制备：将100重量份的陶瓷超细 粉体与100重量份的乙醇-二甲苯混合溶液置于球磨罐，以锆球为磨球，球磨24h， 球磨速率设定为250r/min；然后向球磨罐中加入0.3重量份的三乙醇胺与0.3重量 份的正丁醇，球磨24h，球磨速率设定为200r/min；之后再向球磨罐里加入5重量 份的聚乙烯醇缩丁醛和4重量份的聚乙二醇，球磨24h，球磨速率设定为200r/min， 得到基体浆料；最后将称量好的20重量份的SrTiO3片状微晶模板加入基体浆料中， SrTiO3片状微晶模板长度为45微米，径向比>10，球磨20min，球磨速率设定为 120r/min，得到流延浆料。
将实施例2、6、9及对比例1、2中的制得的陶瓷样品经过表面打磨抛光， 为测试准备。通过SEM观察陶瓷截面晶粒特征，测试结果如图1、2；通过XRD 分析陶瓷物相结构，测试结果如图3；为了量化诱导纹理的性质，使用了用于计 算取向度的Lotgeing因子F，其公式为
其中I0和I分别是烧 结体和随机取向样品的衍射(hkl)的峰值强度；对实施例2、6、9及对比例1、 2得到的陶瓷样品进行表面电极蒸镀，测试其室温下的单极应变曲线，测试结果 如图4、5。
本发明的双片状微晶模板长度为5-30微米，径向比>10，模板的高长径比 可以保证模板在流延过程中在剪切力的作用下可以平躺在流延片中，有利于获 得高取向度织构化陶瓷。
图1为本发明实施例2、6、9，中所制备的双模板织构无铅压电织构化陶瓷 的截面扫描电镜图。从图中可以很清晰直观的观测到，实施例2、6、9中织构 化陶瓷的晶粒表现出纹理状，呈块状形状，且无明显孔隙。这说明使用本发明 方法制备出的织构化陶瓷质量优异，晶粒尺寸分布均匀，意味着性能会有很大 提高。
图2为对比例1，2中所制备的单一模板织构无铅压电织构化陶瓷的截面扫 描电镜图。可以观察出，单一模板织构的陶瓷有明显的孔隙，表明单一模板织 构的陶瓷并不致密。并且可以观察到对比例2中在大晶粒周围有许多小晶粒没 有延晶生长。
图3为本发明实施例2、6、9，中所制备的双模板织构无铅压电织构化陶瓷 的XRD数据与织构度，与对比例1，2中所制备的单一模板织构无铅压电织构化 陶瓷的XRD数据与织构度。首先，所有的陶瓷都是钙钛矿结构，并不存在其他 第二相。另外，可以观察到陶瓷在(001)和(002)峰的强度占主导地位，比(110)峰的强度高很多。这表明BNT模板和NN模板平行于(001)平面，适合 在陶瓷中诱导出(100)的纹理。可以看出，单一模板织构陶瓷的织构度没有双 模板织构无铅压电陶瓷的织构度高。本发明所得到的无铅织构化陶瓷的织构度达到90％，对比例1、2所得到的无铅织构化陶瓷的织构度达到85％和84％。从织 构度方面说明本发明所得到的无铅陶瓷的织构度更高，质量更好。
图4为本发明实施例2、6、9，中所制备的双模板织构无铅压电织构化陶瓷 的应变性能汇总图。首先，在60kV/cm的电场下，实施例2、6、9中所制备的 无铅陶瓷都具有大应变响应。其中实施例2中在60kV/cm的单极应变高达0.40％， 实施例6中在60kV/cm的单极应变高达0.45％，实施例9中在60kV/cm的单极应 变高达0.48％。该应变明显高于典型的未织构的钛酸铋钠基陶瓷的值。
图5为本发明实施例2与对比例1，2中所制备的无铅压电织构化陶瓷的应 变性能随电场变化规律对比图。首先，实施例2在60kV/cm的单极应变达到0.4％， 比例1和对比例2的应变性能在60kV/cm的单极应变达到了0.3％。这说明本发 明得到的双模板织构化陶瓷的应变性能远高于单一模板织构的无铅压电陶瓷。 另外，可以观察到对比例1中的单极应变在60kV/cm电场下有明显的剩余应变， 这也证明了使用BNT模板织构钛酸铋钠无铅压电陶瓷会使得陶瓷的相结构向三 方相转变，会产生剩余应变已经减小应变性能。最后，观察对比例2中的应变 与电场的变化规律，发现在60kV/cm电场下，其并没有发生弛豫铁电相变。这 说明因为NN模板织构的无铅陶瓷，其相结构向赝立方相转变(弛豫相)，所以 其应变性能更加低了。本发明提出的双模板织构的方法，得到的织构化陶瓷避 免了这种不利的相转变，使得其既没有剩余应变也可以增加最大应变值。
上述实施例1-9及对比例1-4的制备方法制得的双模板织构的大应变无铅 压电织构化陶瓷的测试结果如下表1：
表1
根据上述说明书的揭示，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方 式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实 施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围 内。
Claims (9)
1.一种双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将陶瓷基料以乙醇为介质，经一次球磨、干燥、预烧、二次球磨、干燥后，获得陶瓷超细粉体，所述陶瓷基料选自(1-X)Bi0.5Na0.5TiO3-XSrTiO3、(1-Y-Z)Bi0.5Na0.5TiO3-YBaTiO3-ZFeNbO3、(1-Y-Z)Bi0.5Na0.5TiO3-YBaTiO3-ZAgNbO3中的一种，其中0≤X≤0.4，0.05≤Y≤0.07，0≤Z≤0.05；
(2)流延浆料的制备：将陶瓷超细粉体与乙醇-二甲苯的混合液置于球磨罐，以锆球为磨球，球磨12h-36h，球磨速率设定为180-300r/min；然后向球磨罐中加入分散剂与除泡剂，球磨12h-36h，球磨速率设定为180-250r/min；之后再向球磨罐里加入粘结剂和增塑剂，球磨12h-36h，球磨速率设定为180-250r/min，得到基体浆料；将称量好的双片状微晶模板加入基体浆料中，球磨15-60min，球磨速率设定为90-150r/min，得到流延浆料；所述双片状微晶模板包括两种片状微晶模板，一种片状微晶模板为Bi0.5Na0.5TiO3或Bi0.5Na0.5TiO3-0.7BaTiO3，另一种片状微晶模板为NbNaO3、SrTiO3或BaTiO3；
(3)将流延浆料经80-150目纱网过滤，真空除泡后，在流延机上进行流延成型，流延速度为0.8cm/s-3cm/s，流延膜厚度为60-400μm，得到生瓷膜片；
(4)对生瓷膜片进行叠压，叠压压力为30MPa，上压台的温度为30℃，下压台为35℃；
(5)对生瓷膜片进行温等静压，静压时间为0.5-1.5h，温度为60-90℃，压力为20-60MPa，然后用切割机进行切割，得到陶瓷材料生坯；
(6)将陶瓷材料生坯经排胶、冷等静压工序后进行烧结，得到双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷。
2.根据权利要求1所述的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中球磨时间为12h-36h，预烧温度为750-900℃，球磨时间为12h-36h。
3.根据权利要求1所述的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中陶瓷超细粉体：乙醇-二甲苯：分散剂：除泡剂：粘结剂：增塑剂：双片状微晶模板的质量比是1：(0.6-1.2)：(0.001-0.005)：(0.001-0.005)：(0.005-0.1)：(0.006-0.06)：(0.01-0.3)。
4.根据权利要求3所述的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法，其特征在于：所述乙醇-二甲苯的混合比例为1:1，所述分散剂为鲱鱼油或三乙醇胺，所述除泡剂为正丁醇，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯或聚乙二醇。
5.根据权利要求3所述的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法，其特征在于：所述双片状微晶模板长度为5-30微米，径向比>10。
6.根据权利要求1所述的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中排胶过程为以0.1-0.5℃/min的升温速率，在150-180℃保温0.5-2h，在400-450℃保温0.5-2h，在550-600℃保温0.5-2h；冷等静压的压力为100-300MPa，时间为1-10min；烧结方式为埋烧法，烧结时间为3h，烧结温度是1200℃。
7.根据权利要求1所述的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法，其特征在于：所述陶瓷超细粉体通过以下过程制得：根据(1-X)Bi0.5Na0.5TiO3-XSrTiO3化学配比称量一定量的Bi2O3、Na2CO3、TiO2和SrCO3；将称量好的料放入以乙醇为介质、锆球为磨球的球磨罐中球磨12-36h；将球磨好的料烘干，在750-900℃预烧2-5h得到预烧粉；将预烧粉再次放入球磨罐中球磨12h-36h，烘干后得到陶瓷超细粉体。
8.根据权利要求1所述的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法，其特征在于：所述陶瓷超细粉体通过以下过程制得：根据(1-Y-Z)Bi0.5Na0.5TiO3-YBaTiO3-ZFeNbO3化学配比称量一定量的Bi2O3、Na2CO3、TiO2、BaTiO3、Nb2O5和Fe2O3；将称量好的料放入以乙醇为介质、锆球为磨球的球磨罐中球磨12-36h；将球磨好的料烘干，在750-900℃预烧2-5h得到预烧粉；将预烧粉再次放入球磨罐中球磨12h-36h，烘干后得到陶瓷超细粉体。
9.根据权利要求1所述的双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法，其特征在于：所述陶瓷超细粉体通过以下过程制得：根据(1-Y-Z)Bi0.5Na0.5TiO3-YBaTiO3-ZAgNbO3化学配比称量一定量的Bi2O3、Na2CO3、TiO2、BaTiO3、Nb2O5和Ag2SCO3；将称量好的料放入以乙醇为介质、锆球为磨球的球磨罐中球磨12-36h；将球磨好的料烘干，在750-900℃预烧2-5h得到预烧粉；将预烧粉再次放入球磨罐中球磨12h-36h，烘干后得到陶瓷超细粉体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111510404.1A CN114315346A (zh) | 2021-12-10 | 2021-12-10 | 一种双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111510404.1A CN114315346A (zh) | 2021-12-10 | 2021-12-10 | 一种双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114315346A true CN114315346A (zh) | 2022-04-12 |
Family
ID=81050897
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111510404.1A Pending CN114315346A (zh) | 2021-12-10 | 2021-12-10 | 一种双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114315346A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114890790A (zh) * | 2022-04-13 | 2022-08-12 | 江苏省声学产业技术创新中心 | 一种用于超声手术刀驱动器的环状织构压电陶瓷的制备方法 |
| CN116332642A (zh) * | 2023-02-19 | 2023-06-27 | 哈尔滨工业大学 | 一种高Qm的<111>取向四元织构陶瓷及其三步烧结制备方法 |
| CN116693286A (zh) * | 2023-06-09 | 2023-09-05 | 西安交通大学 | 一种低应变迟滞度的bnt-bt-nn陶瓷及其分步烧结的制备方法 |
Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002193663A (ja) * | 2000-12-22 | 2002-07-10 | Ricoh Co Ltd | 結晶配向ペロブスカイト型化合物の焼結体、該焼結体の製造方法、該化合物に用いられるセラミックス粉体の成形体、及び板状結晶配向ペロブスカイト型化合物 |
| CN101020608A (zh) * | 2006-12-11 | 2007-08-22 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种钛酸铋钠－钛酸钡无铅压电陶瓷及其制备方法 |
| CN101244933A (zh) * | 2008-03-18 | 2008-08-20 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种片状钛酸铋钠模板晶粒及其制备方法 |
| US20090170686A1 (en) * | 2007-12-27 | 2009-07-02 | Ngk Insulators, Ltd. | Crystallographically-oriented ceramic |
| CN102815939A (zh) * | 2012-07-16 | 2012-12-12 | 同济大学 | 一种无铅压电织构陶瓷材料及其制备方法 |
| CN103613382A (zh) * | 2013-12-04 | 2014-03-05 | 天津大学 | 钛酸铋钠-钛酸钡-钛酸铋钾无铅压电织构陶瓷及其制备方法 |
| US20140239774A1 (en) * | 2012-12-17 | 2014-08-28 | Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. | NEW PROCESSING METHOD FOR GRAIN-ORIENTED LEAD-FREE PIEZOELECTRIC Na0.5Bi0.5TiO3-BaTiO3 CERAMICS EXHIBITING GIANT PERFORMANCE |
| US20140295138A1 (en) * | 2011-10-12 | 2014-10-02 | Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. | High performance textured piezoelectric ceramics and method for manufacturing same |
| US20140375174A1 (en) * | 2012-02-01 | 2014-12-25 | Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. | Low-temperature co-firing of multilayer textured piezoelectric ceramics with inner electrodes |
| CN105374929A (zh) * | 2015-11-20 | 2016-03-02 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种织构化无铅压电陶瓷多层驱动器及其制备方法 |
| CN106129242A (zh) * | 2016-06-28 | 2016-11-16 | 武汉华思创新科技有限公司 | 一种大应变多层无铅压电致动器及其制备方法 |
| DE102017211348B3 (de) * | 2017-07-04 | 2018-09-06 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren zum Herstellen einer texturierten Perowskit-Keramik sowie in dieser Weise hergestellte Perowskit-Keramiken und Verwendungen |
| CN109553413A (zh) * | 2019-01-17 | 2019-04-02 | 南方科技大学 | 一种织构化压电陶瓷及其制备方法和用途 |
| CN110615467A (zh) * | 2019-11-06 | 2019-12-27 | 哈尔滨工业大学 | 一种沿＜111＞择优取向且a位复合的钛酸钡基片状模板籽晶及其制备方法 |
| CN111233465A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-06-05 | 陕西科技大学 | 一种钛酸铋钠-钛酸钡无铅压电织构陶瓷及其制备方法 |
| KR20200136200A (ko) * | 2019-05-27 | 2020-12-07 | 울산과학기술원 | b-TGG 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹, 압전 소자 및 이의 제조방법 |
-
2021
- 2021-12-10 CN CN202111510404.1A patent/CN114315346A/zh active Pending
Patent Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002193663A (ja) * | 2000-12-22 | 2002-07-10 | Ricoh Co Ltd | 結晶配向ペロブスカイト型化合物の焼結体、該焼結体の製造方法、該化合物に用いられるセラミックス粉体の成形体、及び板状結晶配向ペロブスカイト型化合物 |
| CN101020608A (zh) * | 2006-12-11 | 2007-08-22 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种钛酸铋钠－钛酸钡无铅压电陶瓷及其制备方法 |
| US20090170686A1 (en) * | 2007-12-27 | 2009-07-02 | Ngk Insulators, Ltd. | Crystallographically-oriented ceramic |
| CN101244933A (zh) * | 2008-03-18 | 2008-08-20 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种片状钛酸铋钠模板晶粒及其制备方法 |
| US20140295138A1 (en) * | 2011-10-12 | 2014-10-02 | Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. | High performance textured piezoelectric ceramics and method for manufacturing same |
| US20140375174A1 (en) * | 2012-02-01 | 2014-12-25 | Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. | Low-temperature co-firing of multilayer textured piezoelectric ceramics with inner electrodes |
| CN102815939A (zh) * | 2012-07-16 | 2012-12-12 | 同济大学 | 一种无铅压电织构陶瓷材料及其制备方法 |
| US20140239774A1 (en) * | 2012-12-17 | 2014-08-28 | Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. | NEW PROCESSING METHOD FOR GRAIN-ORIENTED LEAD-FREE PIEZOELECTRIC Na0.5Bi0.5TiO3-BaTiO3 CERAMICS EXHIBITING GIANT PERFORMANCE |
| CN103613382A (zh) * | 2013-12-04 | 2014-03-05 | 天津大学 | 钛酸铋钠-钛酸钡-钛酸铋钾无铅压电织构陶瓷及其制备方法 |
| CN105374929A (zh) * | 2015-11-20 | 2016-03-02 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种织构化无铅压电陶瓷多层驱动器及其制备方法 |
| CN106129242A (zh) * | 2016-06-28 | 2016-11-16 | 武汉华思创新科技有限公司 | 一种大应变多层无铅压电致动器及其制备方法 |
| DE102017211348B3 (de) * | 2017-07-04 | 2018-09-06 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren zum Herstellen einer texturierten Perowskit-Keramik sowie in dieser Weise hergestellte Perowskit-Keramiken und Verwendungen |
| CN109553413A (zh) * | 2019-01-17 | 2019-04-02 | 南方科技大学 | 一种织构化压电陶瓷及其制备方法和用途 |
| KR20200136200A (ko) * | 2019-05-27 | 2020-12-07 | 울산과학기술원 | b-TGG 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹, 압전 소자 및 이의 제조방법 |
| CN110615467A (zh) * | 2019-11-06 | 2019-12-27 | 哈尔滨工业大学 | 一种沿＜111＞择优取向且a位复合的钛酸钡基片状模板籽晶及其制备方法 |
| CN111233465A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-06-05 | 陕西科技大学 | 一种钛酸铋钠-钛酸钡无铅压电织构陶瓷及其制备方法 |
Non-Patent Citations (6)
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114890790A (zh) * | 2022-04-13 | 2022-08-12 | 江苏省声学产业技术创新中心 | 一种用于超声手术刀驱动器的环状织构压电陶瓷的制备方法 |
| CN116332642A (zh) * | 2023-02-19 | 2023-06-27 | 哈尔滨工业大学 | 一种高Qm的<111>取向四元织构陶瓷及其三步烧结制备方法 |
| CN116693286A (zh) * | 2023-06-09 | 2023-09-05 | 西安交通大学 | 一种低应变迟滞度的bnt-bt-nn陶瓷及其分步烧结的制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114315346A (zh) | 一种双模板织构的大应变无铅压电织构化陶瓷的制备方法 | |
| CN107459346B (zh) | 高电学性能的无铅压电钛酸钡基织构陶瓷的制备方法和应用 | |
| JP4541985B2 (ja) | 多結晶体の製造方法 | |
| US6620752B2 (en) | Method for fabrication of lead-based perovskite materials | |
| JP5264673B2 (ja) | 圧電セラミックス、その製造方法、積層型圧電素子、及びその製造方法 | |
| CN104402432A (zh) | 一种织构化压电陶瓷材料及其制备方法 | |
| US20090121374A1 (en) | Method of manufacturing crystal oriented ceramics | |
| JP2008074693A (ja) | 異方形状粉末及びその製造方法、結晶配向セラミックスの製造方法 | |
| CN109553413B (zh) | 一种织构化压电陶瓷及其制备方法和用途 | |
| US20080152530A1 (en) | Method of preparing ferroelectric powders and ceramics | |
| CN100371298C (zh) | 晶粒取向陶瓷及其制造方法 | |
| CN107903055B (zh) | 一种梯度掺杂钛酸铋钠基多层无铅压电陶瓷 | |
| JP3666182B2 (ja) | 結晶配向セラミックスの製造方法 | |
| JP2007284281A (ja) | 結晶配向セラミックスの製造方法 | |
| CN112745117A (zh) | 一种织构化压电陶瓷叠层驱动器及其制备方法 | |
| CN110357625B (zh) | 一种基于流延法制备铌酸钾钠织构透明陶瓷的方法 | |
| JP2010163313A (ja) | 結晶配向セラミックスの製造方法 | |
| KR102628407B1 (ko) | 배향 무연 압전 세라믹 조성물 및 이의 제조방법 | |
| CN116916732A (zh) | 一种钛酸钡基织构电致伸缩多层陶瓷驱动器的制备方法 | |
| CN110981480A (zh) | 一种高Tr-t和Tc的铅基<001>C织构压电陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN115745597A (zh) | 利用冷烧结技术制备铁酸铋-钛酸钡压电织构陶瓷的方法 | |
| CN115849905A (zh) | 一种高温压电陶瓷材料、制备方法及应用 | |
| CN104098328A (zh) | 低电场下大应变响应无铅压电织构陶瓷材料及制法和应用 | |
| JP2006124251A (ja) | 結晶配向セラミックスの製造方法 | |
| JP2009256147A (ja) | 異方形状粉末及び結晶配向セラミックスの製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |