一种具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠基铁电陶瓷及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开的一种具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠铁电陶瓷及其制备方法和应用，属于铁电陶瓷材料制备技术领域，该陶瓷介质材料的化学组成为(1‑x)NaNbO3‑xBa0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3，其中x为0.13～0.15。该材料体系可以在较低的温度下采用固相反应法制备合成，得到一种致密度高，具有宽温度稳定性的电致伸缩应变。在30℃到120℃之间，在60kV/cm电场作用下，低滞回电致伸缩应变最大值为0.10％～0.12％之间，变化率小于12％。本发明专利技术的成分及工艺步骤简单、易于操作、重复性好。可以应用于对温度稳定性有高要求的高精度驱动器上，具有重大的经济价值。

【技术实现步骤摘要】
一种具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠基铁电陶瓷及其制备方法和应用
本专利技术属于铁电陶瓷材料制备
，具体涉及一种具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠铁电陶瓷及其制备方法和应用。
技术介绍
在高精度驱动器中，常常通过对铁电材料施加电场而获得滞回度很小的电致应变，这种应变精度可以控制在几十到几百纳米，在高精密仪器中具有重要价值。从应用的角度而言，除了具有较大的电致应变以外，该应变的温度稳定性也是评价该材料应用价值的一个重要指标。对于铁电材料而言，当温度升高时其极化强度都会下降，从而导致相同电场强度下应变的降低。如从室温到120℃之间，应变的变化率应该小于20％才能够满足该材料在高温度区间使用。现有技术中，用于产生高应变的铁电材料多利用的是该材料在准同形相界处自由能势垒最低原理，从而保证了其高的应变。但是最大的问题就是该相界会随着温度的改变而改变，从而导致对应的应变也表现出很差的温度稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠铁电陶瓷及其制备方法和应用，该方法操作步骤简单、易于操作、重复性好；经该方法制得的铌酸钠铁电陶瓷材料致密度高、具有宽温度稳定性的电致伸缩应变，因而可以应用于对温度稳定性有高要求的高精度驱动器领域。本专利技术是通过以下技术方案来实现：本专利技术公开了一种具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠铁电陶瓷，该铌酸钠铁电陶瓷的化学组成为(1-x)NaNbO3-xBa0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3，其中，x＝0.13～0.15。优选地，该铌酸钠铁电陶瓷在30℃～120℃之间，60kV/cm电场作用下，低滞回电致伸缩应变最大值为0.10％～0.12％，变化率小于12％。本专利技术还公开了一种具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠铁电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：1)按(1-x)NaNbO3-xBa0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3，x＝0.13～0.15的化学组成，称取原料Na2CO3、Nb2O5、BaCO3、CaCO3、ZrO2和TiO2；将称取的原料混合后经球磨、烘干、研磨过筛处理，然后于1250℃进行预烧，保温6h，自然冷却到室温，出炉，再次球磨，合成NN-xBCZT粉料；2)将步骤1)合成的NN-xBCZT粉料烘干、研磨、过120目筛，加入NN-xBCZT粉料质量5％的聚乙烯醇溶液，混合均匀，过筛取60～100目之间的粉料；3)将步骤2)制得的粉料静置24h后，压制成坯件，将坯件由室温升至600℃，保温2h；4)将步骤3)处理后的坯件于1450℃下烧结处理4h，随炉冷却至室温，制得具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠铁电陶瓷。优选地，步骤2)中，聚乙烯醇溶液的浓度为5％。优选地，步骤3)中，是将静置处理后的粉料放入直径为8mm的不锈钢模具中，在250MPa压力下压制成圆柱状坯件。优选地，步骤4)中，将坯件放入坩埚中，加盖，并用同类粉料作为埋料进行烧结处理。优选地，步骤4)之后，还包括对制得的具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠铁电陶瓷进行性能测试的操作，具体为：将烧好的铌酸钠铁电陶瓷片打磨至厚度为0.8mm，自然晾干，在其上下表面涂覆银浆，置于炉中升温至600℃，保温20min，自然冷却至室温进行介电性能和应变性能测试。本专利技术还公开了上述具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠铁电陶瓷在制备高精度微驱动器中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术公开的具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠铁电陶瓷材料的化学组成为(1-x)NaNbO3-xBa0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3(NN-xBCZT)，其中x为0.13～0.15。本专利技术利用铌酸钠(NaNbO3，NN)基铁电陶瓷的高居里温度(>400℃)，引入Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3(BCZT)组元通过组分设计将(1-x)NN-xBCZT调节到120℃以上同时保持该体系组分从室温到120℃之间为单一相结构，来获得具有宽温度稳定的电致应变，从而满足高精度驱动器的应用需求。该材料体系可以在较低的温度下采用固相反应法制备合成，致密度高，且具有宽温度稳定性的电致伸缩应变。进一步地，在30℃～120℃之间，在60kV/cm电场作用下，低滞回电致伸缩应变最大值为0.10％～0.12％之间，变化率小于12％。本专利技术的公开的方法操作步骤简单、重复性好、对设备要求低，适合放大生产。本专利技术公开的铌酸钠铁电陶瓷材料可以应用于对温度稳定性有高要求的高精度驱动器上，具有重大的经济价值。附图说明图1为实施例1的NN-0.13BT样品在30℃～120℃之间的电致应变随温度的变化关系曲线；其中，a为30℃，b为60℃，c为90℃，d为120℃；图2为实施例2的NN-0.15BT样品在30℃～120℃之间的电致应变随温度的变化关系曲线；其中，a为30℃，b为60℃，c为90℃，d为120℃；图3a为实施例1和实施例2的最大应变随温度的变化关系；图3b为实施例1和实施例2的最大应变随温度的变化率。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。实施例1一种具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠铁电陶瓷材料，其化学组成如下：0.87NaNbO3-0.13Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3,简写为NN-0.13BT，记为样品1，标记为#1。上述样品1的制备方法如下：1)按照化学表达式0.87NaNbO3-0.13Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3称取Na2CO3、Nb2O5、BaCO3、CaCO3、ZrO2和TiO2。将称取的原料混合后放入球磨罐中，加入球磨溶剂异丙醇和氧化锆球，球磨6小时，球磨转速为250转/分，再将混合料放入烘箱内80℃烘干，在放入研钵内研磨，过80目筛；在马弗炉中于1250℃进行预烧，保温6小时，自然冷却到室温，出炉；再次球磨，合成0.87NaNbO3-0.13Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3。2)将步骤1)合成的0.87NaNbO3-0.13Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3粉料烘干，然后在研钵中研细，过120目筛，加入质量百分比为5％的聚乙烯醇(PVA)溶液，该PVA溶液浓度为5％，混合均匀，过筛取60～100目之间的粉料。3)将步骤2)中造粒后的粉料静置24小时，再将粉料放入直径为8mm的不锈钢模具中，在250MPa压力下压成圆柱状坯件；4)将步骤3)中的坯体放入马弗炉中，温度升至600℃，保温2小时，进行有机物排除；5)将步骤4)中排胶后的坯体放入坩埚中，加盖，用同类粉料做埋料埋烧，在1450℃中烧结，保温4小时，随炉自然冷却至室温；6)将步骤5)中烧好的陶瓷片打磨至厚度为0.8mm，自然晾干，在其上下表面涂覆银浆，置于炉中升温至600℃，保温20min，自然冷却至室温；测试样品的介电性能和应变性能。参见图1，最大测试电场为60kV/cm，测试频率为1Hz。可以看出，NN-0.13BT样品应变S随电场的增加而增加，在电压从零到最大值再到零值的过程中，应变曲线表现出很小的滞回，所列温度下电致应变滞回度皆<10％。符合高精度应变控制的要求。实施例2一种具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠铁电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠铁电陶瓷，其特征在于，该铌酸钠铁电陶瓷的化学组成为(1‑x)NaNbO3‑xBa0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3，其中，x＝0.13～0.15。

【技术特征摘要】
1.一种具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠铁电陶瓷，其特征在于，该铌酸钠铁电陶瓷的化学组成为(1-x)NaNbO3-xBa0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3，其中，x＝0.13～0.15。2.根据权利要求1所述的具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠铁电陶瓷，其特征在于，该铌酸钠铁电陶瓷在30℃～120℃之间，60kV/cm电场作用下，低滞回电致伸缩应变最大值为0.10％～0.12％，变化率小于12％。3.一种具有宽温度稳定电致应变的铌酸钠铁电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)按(1-x)NaNbO3-xBa0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3，x＝0.13～0.15的化学组成，称取原料Na2CO3、Nb2O5、BaCO3、CaCO3、ZrO2和TiO2；将称取的原料混合后经球磨、烘干、研磨过筛处理，然后于1250℃进行预烧，保温6h，自然冷却到室温，出炉，再次球磨，合成NN-xBCZT粉料；2)将步骤1)合成的NN-xBCZT粉料烘干、研磨、过120目筛，加入NN-xBCZT粉料质量5％的聚乙烯醇溶液，混合均匀，过筛取60～100目之间的粉料；3)将步骤2)制得的粉料静置24h后，压制成坯件，将坯件由室温...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳立，王亮，徐卓，魏晓勇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61