一种四元系纳米无铅压电陶瓷材料及其制备方法技术

技术编号:10186408 阅读:146 留言:0更新日期:2014-07-04 18:02
本发明专利技术提供一种四元系纳米无铅压电陶瓷材料,该陶瓷材料的化学通式为(1-x)Na0.5Bi0.5NbO3-xNa0.5Bi0.5TiO3+y M+zAαOβ,其中,M为金属元素,AαOβ为压电陶瓷烧结助剂,x、y和z表示陶瓷体系中的质量含量,0<x<1,0.0005<y<0.01,0.0005<z<0.01;另外本发明专利技术还提供一种采用溶胶-凝胶法制备上述三元系纳米无铅压电陶瓷材料的方法。与现有技术相比,采用本发明专利技术的方法制备的三元系纳米无铅压电陶瓷材料粒径小、粒度分布窄、组分均匀、压电活性高;研磨过程不易引入杂质,纯度高;烧结温度低,节约能源,且烧结后的陶瓷粉体致密性好。本发明专利技术制备方法简单,工艺稳定,工业化程度高,经济效益明显,具有高的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供一种四元系纳米无铅压电陶瓷材料,该陶瓷材料的化学通式为(1-x)Na0.5Bi0.5NbO3-xNa0.5Bi0.5TiO3+y?M+zAαOβ,其中,M为金属元素,AαOβ为压电陶瓷烧结助剂,x、y和z表示陶瓷体系中的质量含量,0<x<1,0.0005<y<0.01,0.0005<z<0.01;另外本专利技术还提供一种采用溶胶-凝胶法制备上述三元系纳米无铅压电陶瓷材料的方法。与现有技术相比,采用本专利技术的方法制备的三元系纳米无铅压电陶瓷材料粒径小、粒度分布窄、组分均匀、压电活性高;研磨过程不易引入杂质,纯度高;烧结温度低,节约能源,且烧结后的陶瓷粉体致密性好。本专利技术制备方法简单,工艺稳定,工业化程度高,经济效益明显,具有高的应用价值。【专利说明】【
】本专利技术涉及压电陶瓷材料领域,尤其涉及。【
技术介绍
】压电陶瓷是一类实现机械能与电能相互转换的重要功能材料,被广泛应用于电子技术、医疗设备、计量检测、通讯、导航和传感技术等领域。传统使用的压电陶瓷多为锆钛酸铅(PZT)或以PZT为基的材料,虽然具有很好的介电、压电性能,但这种PZT陶瓷材料的氧化铅含量高达60%以上,而氧化铅是一种有毒物质,高温下易挥发,在铅基压电陶瓷的制备、使用和废弃后处理过程中都会造成环境污染,也会直接危害到人类健康。因而,寻找性能优良且环境友好型的压电陶瓷是电子材料领域紧迫的课题之一。目前常见的无铅压电陶瓷体系主要有:钛酸钡基、含铋层状结构、钨青铜结构、碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷。这些无机压电陶瓷因为组成和结构不同,其性能也各具特色:钛酸钡基陶瓷材料压电性能中等,但居里温度偏低;含铋层状结构和钨青铜结构陶瓷材料的居里温度高但压电活性低;碱金属铌酸盐系陶瓷则存在难以烧结致密的问题。尽管传统固相合成工艺对提高压电陶瓷压电性能具有一定成效,但仍存在以下四大不足:一、由该法制备的陶瓷粉体粒径大、粒度分布宽、组分不均匀,从而导致产物粉体压电活性不闻。二、研磨过程容易引进杂质,制备的陶瓷粉体纯度低。三、传统法制备的陶瓷粉体所需的烧结温度较高,不易烧结,而且烧结后陶瓷粉体的致密度不是很好。 【
技术实现思路
】本专利技术的目的在于克服传统技术的缺点与不足,提供了,通过调整原料配方与制备工艺,获得粒径小、组分均匀、纯度高且压电性能好的四元系陶瓷粉体。本专利技术的一种四元系纳米无铅压电陶瓷材料,其化学通式为(1-x) Na0.5Bi0.5Nb03_xNaa5Bia5TiOfyM-ZAa Oe,其中,M为金属元素,AaOe为压电陶瓷烧结助剂,x、y和z表示陶瓷体系中的质量含量,O < X < 1,0.0005 < y < 0.01,0.0005 < z < 0.01。本专利技术所选择的两个基础陶瓷体系Bia5Naa5NbO3-Bia5Naa5TiO3可形成固溶体,且存在一个三角-四方准同型相界(MPB),组成处于MPB的复相压电陶瓷都具有异常优秀的压电介电性能;同时通过弓丨入固溶组分Bi。.5Na0.5Ti03后,提高了 Bi。.5Na0.5Nb03的相对稳定温度,故能促进Bia5Naa5NbO3陶瓷烧结的进行,改善了 Bia5Naa5NbO3陶瓷粉体难以烧结致密的问题,获得了压电性能优异的复相陶瓷体系。M元素的取代会导致压电陶瓷钙钛矿结构发生畸变,这种畸变使得取代元素在一定的组成范围内,导致陶瓷的相转变温度明显降低,在较低温度下就能获得一个类似于MPB的多相共存结构;这种多相共存导致陶瓷在极化时可极化的方向增多,极化活性增强,使得最终压电性能提高,有效改善Bia5Naa5NbO3-Bia5Naa5TiO3压电陶瓷压电性能。通过添加适量的烧结助剂,它们在烧结过程中可与Bia5Naa5NbO3-Bia5Naa5TiO3陶瓷基体相互作用产生液相,充分润湿原料粉体,液相烧结中的晶粒重排、强化接触可提高晶界迁移率,使气孔充分排出,促进晶粒的发育,降低了烧结温度;另一方面烧结助剂的加入还能抑制晶粒的过分生长,使晶粒尺寸更加均匀,从而陶瓷的致密度及其压电性能得以提闻。优选的,所述M为L1、Mn、Ag、Zr、Sr、Sb和La中的一种或其组合。优选的,所述AaO0 为 CeO2> Cr2O3> V2O5> CuO> ZnO、SnO2> Co2O3> Bi203、Fe203、Mn2O3>Sc2O3> ZrO2, Co3O4, K4CuNb8O23 (KCN)、K5 4Cu1.Ja10O29 (KCT)中的一种或其组合。优选的,所述0.04 < X < 0.18。优选的,当M为Li或Mn的一种或其组合时,0.004 < y < 0.006。优选的,AaOe为CeO2或CuO的一种或其组合时,0.004 < ζ < 0.006。另外本专利技术还提供一种采用溶胶-凝胶法制备所述四元系纳米无铅压电陶瓷材料的方法,该方法包括以下步骤:(I)按设定比 例称取钛酸四丁酯(Ti (OC4H9)4)、硝酸铋(Bi (NO3)3.5Η20)、五氧化二铌(Nb2O5)、至少一种M的化合物、至少一种AaOe、醋酸钠(CH3COONa.3Η20)和乙二醇乙醚;(2)将硝酸铋、醋酸钠和至少一种M的化合物溶于适量的冰醋酸,再加入钛酸四丁酯和少量乙二醇乙醚,在60°C下搅拌至溶液形成均匀透明溶胶;(3)将五氧化二铌粉体缓慢加入到上述溶胶中,在60°C下继续搅拌形成均匀分散的胶状混合液;(4)将上述混合液静置12h,待胶体充分熟化后,将其转入真空烘箱中在100°C下干燥;(5)将烘干后的产物置于马弗炉中在600~800°C下热处理2h,然后取出研磨成粉;(6)将上述粉末与AaOe纳米粉末充分混匀;(7)采用粉末压片机在IGPa压力下将粉末压成模具规格的圆片,将圆片置于马弗炉中在1000~1300°C下烧结2h,制得四元系纳米无铅压电陶瓷材料。与现有技术相比,采用本专利技术的方法制备的四元系纳米无铅压电陶瓷材料粒径小、粒度分布窄、组分均匀、压电活性高;研磨过程不易引入杂质,纯度高;烧结温度低,节约能源,且烧结后的陶瓷粉体致密性好。【【具体实施方式】】下面结合具体实施例,对本专利技术做进一步的说明。在以下实施例中,粒度表示四元系纳米无铅压电陶瓷材料颗粒的大小,其单位是nm,实际测量可由激光粒度仪或由XRD (谢乐公式计算)得到,该数值越小,表明粒子越小,其引起的陶瓷空隙率越小也会越小,也即陶瓷致密性越高,陶瓷的压电介电性能也会越好;Qffl为机械品质因数,表示陶瓷材料在谐振时机械损耗的大小,是一个无量纲的物理量,Qffl与机械损耗成反比,Qm大表示材料的机械损耗小;ε r为相对介电常数,ε r = ε / ε 0, ε 0为真空介电常数,L单位是量纲一,反映材料的介电性质(或极化性质),L越大,说明陶瓷材料的介电性质越好,其测量方法为:测出试样厚度T和直径D后,用HP4294A型精密LCR测试仪测出室温以及用TH2617型精密LCR测试仪测出升温条件下不同频率样品的电容和介电损耗tan δ,再算出相对介电常数;P是陶瓷体密度,单位是g/m3; P =m/V,实际测量可取形本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种四元系纳米无铅压电陶瓷材料,其特征在于:该陶瓷材料的化学通式为(1‑x)Na0.5Bi0.5NbO3‑xNa0.5Bi0.5TiO3+y M+zAαOβ,其中,M为金属元素,AαOβ为压电陶瓷烧结助剂,x、y和z表示陶瓷体系中的质量含量,0<x<1,0.0005<y<0.01,0.0005<z<0.01。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:刘方徐丽华何唯平
申请(专利权)人:深圳海川新材料科技有限公司
类型:发明
国别省市:广东;44

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