CN1673178A - 钛酸铋纳-钛酸钡基压电陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛酸铋钠-钛酸钡基压电陶瓷,含有三氧化二铋、碳酸钠、碳酸钡、二氧化钛、氧化锡,化学计量比为(1-x)[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-xBaTiO3-ywt%SnO2,其中:0<x<0.1,0<y<10。本发明还公开了上述钛酸铋钠-钛酸钡基压电陶瓷的制备方法,经过配料、振磨混料、压块、预烧、加入粘结剂,在轧膜机上反复轧制,最终成型为方片,再将方片放入烘箱中烘干成素片,经过排胶、烧结、烧银,在放入硅油中极化,最终形成钛酸铋钠-钛酸钡基压电陶瓷。由于采用了不同掺杂元素以及不同的元素配比,有效的降低了压电陶瓷的矫顽场及电阻率,使极化工艺简单易行。本发明方法可制备不同压电、介电性能的无铅压电陶瓷,可满足不同领域需求;本发明采用工业化轧膜成型,方法简单,成本低,适合批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛酸铋钠-钛酸钡基压电陶瓷,还涉及钛酸铋钠-钛酸钡基压电陶瓷的制备方法。
背景技术
压电陶瓷在外加电场作用下可以产生应变,同时,在外力作用下,压电陶瓷会在两极产生电荷,因此被广泛的应用于微位移器、传感器、谐振器、换能器及滤波器等领域。
文献“G.A.Smolensky,V.A.Isupov,A.I.agranovskaya,N.N.Krainik,Sov.Phys.-SolidState(Engl.Transl.)2(11)(1961)2651-2654”介绍了G.A.Smolensky等发明的钛酸铋钠,它是一种复合钙钛矿铁电体,室温时呈三方晶系,居里点为320℃。钛酸铋钠具有铁电性强,剩余极化强度Pr=38μC/cm2、压电系数大,厚度机电耦合系数kt约为0.40~0.50、介电常数小、声学性能好等优良特性,且烧结温度低,但钛酸铋钠陶瓷矫顽场很高,约为73kV/cm,并且在铁电相区电导率很高,因而难以极化,性能也难以得到提高。
钛酸钡是已经规模化生产的无铅压电陶瓷,但钛酸钡的压电常数d33在100pC/N左右,难以通过掺杂大幅度地改善其性能,以满足不同的需要;工作温度区较窄,约为10~70℃,居里点为120℃,在0℃附近存在相变,导致性能参数的温度稳定性欠佳。
对于掺钛酸钡的钛酸铋钠陶瓷,在已报导的电学性能中,压电常数d33约为100pC/N,平面机电耦合系数kp约为0.18,品质因数Qm约为122,不能满足实际使用的需求。
发明内容
为了克服现有技术中钛酸铋钠陶瓷矫顽场高、电导率高且难以极化,钛酸钡陶瓷工作温度区窄等不足,本发明提供一种钛酸铋钠-钛酸钡基压电陶瓷,采用锡、锰离子对Bi1/2Na1/2TiO3-BaTiO3进行单独和复合掺杂,以降低其矫顽场和电导率。
本发明还提供这种钛酸铋钠-钛酸钡基压电陶瓷的制备方法。
本发明的技术方案是:
一种钛酸铋钠-钛酸钡基压电陶瓷,含有三氧化二铋、碳酸钠、碳酸钡、二氧化钛、氧化锡,化学计量比为(1-x)[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-xBaTiO3-ywt%SnO2
其中:0<x<0.1,0<y<10。
所述的钛酸铋钠-钛酸钡基压电陶瓷,还可以是含有三氧化二铋、碳酸钠、碳酸钡、二氧化钛、氧化锡、二氧化锰,化学计量比为(1-x)[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-xBaTiO3-ywt%SnO2-zwt%MnO2
其中:0<x<0.1,0<y<10,0≤z<10。
一种上述钛酸铋钠-钛酸钡基压电陶瓷制备方法,
(1)将三氧化二铋、碳酸钠、碳酸钡、二氧化钛、氧化锡按化学计量比为(1-x)[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-xBaTiO3-ywt%SnO2配料,其中:0<x<O.1,0<y<10;
(2)将配好的料放入振磨料斗中按铁球∶料为3∶1的比例混料,振磨的时间为6~12小时;
(3)将混合好的料压块,在800~900℃温度下预烧1~2小时,取出煅烧的料打碎,再振磨6~12小时后过筛;
(4)加入20~28wt%的粘结剂,在轧膜机上反复轧制1~2小时,最终成型为12×12×0.5mm3的方片;
(5)将成型的方片放入烘箱中120℃10~13小时烘干成素片,然后将烘干的素片放入炉中排胶,升温速率在25~500℃时为30℃/h,500~800℃时为100℃/h,并分别在270℃、360℃、500℃及800℃保温2~4小时,随炉冷却;
(6)排完胶的素片放入烧结炉中,在1100~1200℃温度范围内烧结,烧结完成后取出,涂敷低温银浆,800℃烧银成为电极;
(7)将敷银电极的瓷片浸入25℃硅油中极化10~30分钟,极化电场为3~5kV/mm。
钛酸铋钠-钛酸钡基压电陶瓷制备方法,所述的步骤(1)中还可以掺入二氧化锰,按化学计量比为(1-x)[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-xBaTiO3-ywt%SnO2-zwt%MnO2配料,其中:0<x<0.1,0<y<10,0≤z<10。
本发明的有益效果是:由于采用了不同掺杂元素以及不同的元素配比,有效的降低了压电陶瓷的矫顽场及电阻率,使极化工艺简单易行。本发明方法可制备不同压电、介电性能的无铅压电陶瓷,从而满足不同领域的使用需求;在陶瓷片成型的过程中,采用了工业化的轧膜成型,工艺流程简单,重复性好,设备要求低,使得生产成本低廉,适合大规模、批量化生产。本发明所得到的电学参数为,压电常数d33为80~125pC/N,平面耦合机电系数kp为0.17~0.25,品质因数Qm为40~163,厚度机电耦合系数kt为0.39~0.51,比现有技术制备的掺钛酸钡的钛酸铋钠陶瓷压电常数d33=100pC/N,平面机电耦合系数kp=0.18,品质因数Qm=122大的多。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明的素片排胶工艺图
图2是本发明的陶瓷烧结工艺图
图3是0.96[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.04BaTiO3-0.2wt%SnO2在1110℃烧结表面显微形貌照片
图4是0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt%MnO2-0.2wt%SnO2在1110℃烧结表面显微形貌照片
具体实施方式
实施例1,用分析纯级含量为99.0%的三氧化二铋、含量为99.8%的碳酸钠、含量为99.0%的碳酸钡、含量为98%的二氧化钛、含量为99.5%的氧化锡,按化学计量比为0.96[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.04BaTiO3-0.2wt%SnO2进行称量配料。将配好的料放入振磨料斗中按铁球∶料为3∶1的比例混料,混料过程中不加入其他介质。振磨的时问为6小时,混合好的料压块在800℃温度下预烧1小时,取出煅烧的料打碎,再振磨6小时后过筛;加入20wt%的粘结剂,在轧膜机上反复轧制1小时,最终成型为12×12×0.5mm3的方片,放入烘箱中120℃10小时烘干成素片,然后将烘干的素片放入炉中排胶,升温速率在25~500℃时为30℃/h,500~800℃时为100℃/h,并分别在270℃、360℃、500℃及800℃保温2小时,随炉冷却;排完胶的素片放入烧结炉中,在1100℃烧结,烧结完成后取出,涂敷中温银浆,800℃烧银成为电极,在25℃的硅油中极化10分钟,极化电场为3kV/mm。其电学性能见附表中第一行。
附表
组别 | 密度 | kp | Qm | εr | kt | Nd | tanδ |
实施例1实施例2实施例3实施例4 | 5.775.455.415.77 | 0.220.170.190.25 | 4051154163 | 8041237567627 | 0.390.450.460.51 | 2306239025582453 | 0.0250.0190.00650.0061 |
实施例2,用分析纯级含量为99.0%的三氧化二铋、含量为99.8%的碳酸钠、含量为99.0%的碳酸钡、含量为98%的二氧化钛、含量为99.5%的氧化锡,按化学计量比为0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.2wt%SnO2进行称量配料。将配好的料放入振磨料斗中按铁球∶料为3∶1的比例混料,混料过程中不加入其他介质。振磨的时间为8小时,混合好的料压块在840℃温度下预烧1.5小时,取出煅烧的料打碎,再振磨8小时后过筛;加入24wt%的粘结剂,在轧膜机上反复轧制1.5小时,最终成型为12×12×0.5mm3的方片,放入烘箱中120℃11小时烘干成素片,然后将烘干的素片放入炉中排胶,升温速率在25~500℃时为30℃/h,500~800℃时为100℃/h,并分别在270℃、360℃、500℃及800℃保温3小时,随炉冷却;排完胶的素坯放入烧结炉中,在1110℃烧结,烧结完成后取出,涂敷中温银浆,800℃烧银成为电极,在25℃的硅油中极化15分钟,极化电场为4kV/mm。其电学性能见附表中第二行。
实施例3,用分析纯级含量为99.0%的三氧化二铋、含量为99.8%的碳酸钠、含量为99.0%的碳酸钡、含量为98%的二氧化钛、含量为99.5%的氧化锡,按化学计量比为0.92[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.08BaTiO3-0.2wt%SnO2进行称量配料。将配好的料放入振磨料斗中按铁球∶料为3∶1的比例混料,混料过程中不加入其他介质。振磨的时间为10小时,混合好的料压块在850℃温度下预烧2小时,取出煅烧的料打碎,再振磨10小时后过筛;加入25wt%的粘结剂,在轧膜机上反复轧制2小时,最终成型为12×12×0.5mm3的方片,放入烘箱中120℃12小时烘干成素片,然后将烘干的素片放入炉中排胶,升温速率在25~500℃时为30℃/h,500~800℃时为100℃/h,并分别在270℃、360℃、500℃及800℃保温2小时,随炉冷却;排完胶的素坯放入烧结炉中,在1150℃烧结,烧结完成后取出,涂敷中温银浆,800℃烧银成为电极,在25℃的硅油中极化20分钟,极化电场为4kV/mm。其电学性能见附表中第三行。
实施例4,用分析纯级含量为99.0%的三氧化二铋、含量为99.8%的碳酸钠、含量为99.0%的碳酸钡、含量为98%的二氧化钛、含量为99.5%的氧化锡、含量为99.95%的二氧化锰,按化学计量比为0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt%MnO2-0.2wt%SnO2进行称量配料。将配好的料放入振磨料斗中按铁球∶料为3∶1的比例混料,混料过程中不加入其他介质。振磨的时间为12小时,混合好的料压块在900℃温度下预烧2小时,取出煅烧的料打碎,再振磨12小时后过筛;加入28wt%的粘结剂,在轧膜机上反复轧制2小时,最终成型为12×12×0.5mm3的方片,放入烘箱中120℃13小时烘干成素片,然后将烘干的素片放入炉中排胶,升温速率在25~500℃时为30℃/h,500~800℃时为100℃/h,并分别在270℃、360℃、500℃及800℃保温4小时,随炉冷却;排完胶的素坯放入烧结炉中,在1200℃烧结,烧结完成后取出,涂敷中温银浆,800℃烧银成为电极,在25℃的硅油中极化30分钟,极化电场为5kV/mm。其电学性能见附表中第四行。
从图3、图4中可以看出,随着配比的变化,压电陶瓷的显微形貌,气孔的数量及大小,晶粒的尺寸及形状发生微小的变化,结合附表可以看出,配方0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt%MnO2-0.2wt%SnO2在1110℃可以获得很好的综合压电性能。
总之,本发明通过合理的原料配比、掺杂改性、优化制备、烧结和极化工艺,实现了与环境兼容性好、性能优良的钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的工业化制备。
Claims (4)
1、一种钛酸铋钠-钛酸钡基压电陶瓷,含有三氧化二铋、碳酸钠、碳酸钡、二氧化钛、氧化锡,化学计量比为(1-x)[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-xBaTiO3-ywt%SnO2
其中:0<x<0.1,0<y<10。
2、根据权利要求1所述的钛酸铋钠-钛酸钡基压电陶瓷,还可以是含有三氧化二铋、碳酸钠、碳酸钡、二氧化钛、氧化锡、二氧化锰,化学计量比为(1-x)[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-xBaTiO3-ywt%SnO2-zwt%MnO2
其中:0<x<0.1,0<y<10,0≤z<10。
3、一种根据权利要求1所述的钛酸铋钠-钛酸钡基压电陶瓷制备方法,
(1)将三氧化二铋、碳酸钠、碳酸钡、二氧化钛、氧化锡按化学计量比为(1-x)[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-xBaTiO3-ywt%SnO2配料,其中:0<x<0.1,0<y<10;
(2)将配好的料放入振磨料斗中按铁球∶料为3∶1的比例混料,振磨的时间为6~12小时;
(3)将混合好的料压块,在800~900℃温度下预烧1~2小时,取出煅烧的料打碎,再振磨6~12小时后过筛;
(4)加入20~28wt%的粘结剂,在轧膜机上反复轧制1~2小时,最终成型为12×12×0.5mm3的方片;
(5)将成型的方片放入烘箱中120℃10~13小时烘干成素片,然后将烘干的素片放入炉中排胶,升温速率在25~500℃时为30℃/h,500~800℃时为100℃/h,并分别在270℃、360℃、500℃及800℃保温2~4小时,随炉冷却;
(6)排完胶的素片放入烧结炉中,在1100~1200℃温度范围内烧结,烧结完成后取出,涂敷低温银浆,800℃烧银成为电极;
(7)将敷银电极的瓷片浸入25℃硅油中极化10~30分钟,极化电场为3~5kV/mm。
4、根据权利要求3所述的钛酸铋钠-钛酸钡基压电陶瓷制备方法,所述的步骤(1)中还可以掺入二氧化锰,按化学计量比为(1-x)[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-xBaTiO3-ywt%SnO2-zwt%MnO2配料,其中:0<x<0.1,0<y<10,0≤z<10。
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
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