CN114685187A - 一种提升复合陶瓷等效挠曲电响应的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及功能材料领域，具体涉及一种提升复合陶瓷等效挠曲电响应的方法，包括以下步骤：S1.将复合陶瓷烧制成圆片状不均匀电极；S2.使用针尖电极的尖锐端与步骤S1制备的圆片状不均匀电极的圆心相接触；S3.在针尖电极与圆片状不均匀电极之间施加700～1000V的电压，极化15～30min。本发明提升的等效挠曲电性具有较好的稳定性，此方法揭示了针尖极化工艺是提升铁电‑顺电钙钛矿氧化物等效挠曲电性的有效途径。本发明提供的方法具有较好的耐疲劳特性，工艺简便，可以广泛应用在传感器、驱动器和能量采集等器件中。
Description
技术领域
本发明涉及功能材料领域，具体涉及一种提升复合陶瓷等效挠曲电响应的方法。
背景技术
压电效应是应用非常广泛的一类力电耦合效应，压电效应是指某些电介质材料在受到外力作用时会产生极化的现象(正压电效应)，反过来这些电介质材料在受到外加电场作用时会出现形变的现象(逆压电效应)。压电效应在传感、驱动、医疗、超声等领域发挥了巨大的作用。然而压电材料在居里温度以上将失去压电性，并且无铅压电材料压电性远不如含铅压电材料，而铅是一种会对人体和环境造成损害的元素。因此研究人员开始寻找可替代压电材料的其他功能材料，例如挠曲电材料。
挠曲电效应是近年来功能材料领域的研究热点之一，受到了国内外研究人员的广泛关注。挠曲电效应是指为电介质材料在产生应变梯度后会产生极化的现象(正挠曲电效应)，反过来电介质材料在产生电场梯度后会出现应力响应(逆挠曲电效应)。挠曲电效应具有巨大的研究价值以及广泛的应用前景，例如在传感器领域，挠曲电效应可以用来制作水听器、加速度传感器，在驱动器领域，挠曲电效应可以用来制作纳米尺度驱动器，以及无铅拱形驱动器件；在能量收集领域，也可以利用挠曲电效应开发挠曲电纳米发电机、挠曲电环状能量收集器等等。
从挠曲电效应发现以来，研究人员就致力于探究挠曲电效应的产生机理，以及探索提升挠曲电响应的各种方法。对比压电效应，挠曲电效应机理更为复杂，并且理论上存在于一切介电材料中。实验人员在实验时发现了实际测量值和挠曲电理论的巨大差异，说明在测量时除了理论研究指出的四种贡献来源：静态体挠曲电效应、动态体挠曲电效应、表面挠曲电效应和表面压电效应，还有很多其它的因素会影响材料的挠曲电响应，如缺陷的形成和扩散、势垒层机制、空间电荷或载流子注入等等。
为了找寻其它提升挠曲电效应的方法，我们将目光投向了将陶瓷进行极化处理。众所周知，随着极化的进行，铁电材料的压电响应会逐渐增大并达到饱和，然而目前却还没有见到有研究人员讨论极化是否会对同属机电耦合效应的挠曲电效应造成影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的问题，提供一种提升复合陶瓷等效挠曲电响应的方法。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种提升复合陶瓷等效挠曲电响应的方法，包括以下步骤：
S1.将复合陶瓷烧制成圆片状不均匀电极；
S2.使用针尖电极的尖锐端与步骤S1制备的圆片状不均匀电极的圆心相接触；
S3.在针尖电极与圆片状不均匀电极之间施加700～1000V的电压，极化15～30min。
优选地，所述复合陶瓷为Ba1-xCaxTiO3或Ba1-ySryTiO3；其中，0≤x＜1；0≤y＜1。
复合陶瓷为铁电-顺电钙钛矿氧化物陶瓷通过BaTiO3-CaTiO3复合而成
优选地，所述复合陶瓷采用固相烧结法制备得到，制备过程配合相应尺寸模具。
优选地，所述固相烧结法的烧结温度为400～650℃，然后保温8～12min。更优选低于500℃的温度进行。
优选地，所述步骤S1中，圆片状不均匀电极为不均匀银电极。
优选地，所述步骤S1具体包括：将复合陶瓷烧制成圆片状坯体，再烧渗法制备得到不均匀银电极。
优选地，所述银电极采用型号为BY-7270高性能烧结型无铅导电银浆。
制备过程中采用棉签沾取银浆，配合200目聚酯丝网将银浆涂抹至样品表面；
优选地，所述圆片状坯体的厚度为0.8mm-1mm。
优选地，所述S3中，极化过程在100～120℃的油浴中进行。更优选为120℃。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明公开的一种提升复合陶瓷等效挠曲电响应的方法，包括在铁电-顺电钙钛矿氧化物陶瓷上下表面制备不均匀的电极，以及通过针尖施加电压进行极化。实验结果表明，不同组分的BCT、BST铁电-顺电钙钛矿氧化物陶瓷的等效挠曲电性能通过本方法提升了4-30倍不等。此外本方法提升的等效挠曲电性具有较好的稳定性，此方法揭示了针尖极化工艺是提升铁电-顺电钙钛矿氧化物等效挠曲电性的有效途径。本发明提供的方法具有较好的耐疲劳特性，工艺简便，可以广泛应用在传感器、驱动器和能量采集等器件中。
附图说明
图1为圆片状铁电-顺电钙钛矿氧化物陶瓷样品的极化过程示意图；
图2为陶瓷表面不均匀电极示意图；
图3为不同组分陶瓷在制备不均匀电极后，在适宜电压下采用针尖极化前后挠曲电等效压电系数的变化对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例和对比例将对本发明的技术方案进行详细的描述。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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
除特殊说明，本实施例中所用的设备均为常规实验设备，所用的材料、试剂若无特殊说明均为市售得到，无特殊说明的实验方法也为常规实验方法。
实施例1
将BaTiO3，CaTiO3(均为99％纯，阿法埃莎化学有限公司)，通过湿法球磨后烘干，在1000℃下保温2h进行预烧处理，再次球磨并烘干，加入适量粘结剂并研磨至混合均匀，将所得粉体通过冷静压法压成圆片状坯体，于1320℃下烧结成瓷，得到Ba0.8Ca0.2TiO3陶瓷，将其上下两面打磨后通过烧渗法制备不均匀银电极。通过点环法测试其未经极化时的挠曲电等效压电系数为9pC/N。将Ba0.8Ca0.2TiO3陶瓷置于120℃油浴中，针尖与圆片中心相接触，此时施加直流电压700V极化20min。随后通过点环法获得样品挠曲电等效压电系数，得到极化后的挠曲电等效压电系数为48pC/N，提高了大约5.3倍。
实施例2
按照实施例1中样品制备方法制得圆片状Ba0.8Ca0.2TiO3陶瓷，我们将一片Ba0.8Ca0.2TiO3陶瓷通过电子束蒸镀制备了均匀平整的银电极，将另一片Ba0.8Ca0.2TiO3陶瓷通过烧渗法制备了不均匀的银电极，均通过前述极化方式进行针尖极化后测试，具备均匀平整银电极的样品测得挠曲电等效压电系数为17pC/N。具备不均匀银电极的样品测得挠曲电等效压电系数为48pC/N，是具备均匀平整银电极的样品挠曲电等效压电系数的2.8倍。
实施例3
按照实施例1中样品制备方法制得BaTiO3陶瓷，并通过烧渗法制备不均匀银电极，经测试其未极化时挠曲电等效压电系数为60pC/N。按照实施例1中所述针尖极化方式于直流电压900V下极化20min。随后通过点环法获得样品挠曲电等效压电系数，得到极化后的挠曲电等效压电系数为355pC/N，提高了大约6倍。
实施例4
按照实施例1中样品制备方法制得圆片状Ba0.6Ca0.4TiO3陶瓷，并通过烧渗法制备不均匀银电极，经测试其未极化时挠曲电等效压电系数为3pC/N。随后按照前述方法测试其在直流电压1000V下极化20min后的挠曲电等效压电系数为84pC/N，提高了大约28倍。
实施例5
按照实施例1中样品制备方法制得圆片状Ba0.7Sr0.3TiO3陶瓷，并通过烧渗法制备不均匀银电极，经测试其未极化时挠曲电等效压电系数为7pC/N。随后按照前述方法测试其在直流电压1000V下极化10min后的挠曲电等效压电系数为27pC/N，提高了大约4倍。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种提升复合陶瓷等效挠曲电响应的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将复合陶瓷烧制成圆片状不均匀电极；
S2.使用针尖电极的尖锐端与步骤S1制备的圆片状不均匀电极的圆心相接触；
S3.在针尖电极与圆片状不均匀电极之间施加700～1000V的电压，极化15～30min。
2.根据权利要求1所述提升复合陶瓷等效挠曲电响应的方法，其特征在于，所述复合陶瓷为Ba1-xCaxTiO3或Ba1-ySryTiO3；其中，0≤x＜1；0≤y＜1。
3.根据权利要求2所述提升复合陶瓷等效挠曲电响应的方法，其特征在于，所述复合陶瓷采用固相烧结法制备得到。
4.根据权利要求3所述提升复合陶瓷等效挠曲电响应的方法，其特征在于，所述固相烧结法的烧结温度为400～650℃，然后保温8～12min。
5.根据权利要求1所述提升复合陶瓷等效挠曲电响应的方法，其特征在于，所述步骤S1中，圆片状不均匀电极为不均匀银电极。
6.根据权利要求5所述提升复合陶瓷等效挠曲电响应的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：将复合陶瓷烧制成圆片状坯体，再烧渗法制备得到不均匀银电极。
7.根据权利要求5或6所述提升复合陶瓷等效挠曲电响应的方法，其特征在于，所述银电极采用型号为BY-7270高性能烧结型无铅导电银浆。
8.根据权利要求1所述提升复合陶瓷等效挠曲电响应的方法，其特征在于，所述圆片状坯体的厚度为0.8mm-1mm。
9.根据权利要求1所述提升复合陶瓷等效挠曲电响应的方法，其特征在于，所述S3中，极化过程在100～120℃的油浴中进行。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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