钛酸钡钙基无铅压电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钛酸钡钙基无铅压电陶瓷及其制备方法，无铅压电陶瓷具有下列通式：(1‑x‑y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3‑mN；其中，M为Ba和Ca中的至少一种，N为CeO2、Y2O3、ZnO中的至少一种；x和y分别表示(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3和MHfO3所占化合物(1‑x‑y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3的摩尔百分比，m表示N所占化合物(1‑x‑y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3的质量百分比。根据本公开的一个实施例，无铅压电陶瓷具有优异的压电性能，同时具有较低的烧结温度，克服了现有技术的不足。

Barium-calcium titanate-based lead-free piezoelectric ceramics and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
钛酸钡钙基无铅压电陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及压电陶瓷
，更具体地，涉及一种钛酸钡钙基无铅压电陶瓷及其制备方法。
技术介绍
压电陶瓷是一类应用广泛的电子功能材料，如今在汽车、半导体工业、医疗以及电子消费品等领域扮演着重要角色。目前，锆钛酸铅基压电陶瓷市场份额最高、应用最为广泛，但铅及其化合物具有剧毒，严重威胁环境安全以及人体健康。因此，世界各国均在加紧开发无铅压电陶瓷，以满足日益苛刻的环保要求。对于商用锆钛酸铅基陶瓷，其压电性能普遍介于200-600pC/N，并且烧结温度只有900-1200℃。钛酸钡钙是一类颇具应用前景的无铅压电陶瓷，但是纯钛酸钡钙陶瓷，压电性能只有100-200pC/N，远低于锆钛酸铅基陶瓷，必须通过适当的掺杂改性以提高其压电性能。另一方面，相比锆钛酸铅基陶瓷，钛酸钡钙基陶瓷需要较高的烧结温度，一般为1400-1500℃，因此需要配备价格昂贵的高温烧结炉，并且增加电力消耗以及制造成本，也增加了制作相应多层压电器件的难度，这在一定程度上限制了其大规模应用。因此，需要提供一种新的技术方案，以解决上述技术问题。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种钛酸钡钙基无铅压电陶瓷的新技术方案。根据本专利技术的第一方面，提供了一种钛酸钡钙基无铅压电陶瓷，以下列通式I表示：(1-x-y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3-mN；(I)其中，M为Ba和Ca中的至少一种，N为CeO2、Y2O3、ZnO中的至少一种；x和y分别表示(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3和MHfO3所占化合物(1-x-y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3的摩尔百分比，m表示N所占化合物(1-x-y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3的质量百分比；其中，0.005≤m≤0.02；0.1≤x≤0.6；0.02≤y≤0.32。可选地，所述钛酸钡钙基无铅压电陶瓷为三方-四方两相共存结构。可选地，其中，0.3≤x≤0.5，0.05≤y≤0.25。可选地，所述钛酸钡钙基无铅压电陶瓷在室温形成纳米微畴结构。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种钛酸钡钙基无铅压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：1)配料：以BaCO3、CaCO3、TiO2、Li2CO3、Nd2O3以及HfO2为原料，根据所述钛酸钡钙基无铅压电陶瓷的化学组成进行称量配料；2)一次球磨：将上述原料混合后进行一次球磨；3)一次预烧：将一次球磨且烘干后的粉末加热，以进行固相反应；4)二次球磨：将一次预烧后的粉末进行二次球磨；5)二次预烧：将二次球磨且烘干后的粉末再次加热，获得纯钙钛矿结构；6)三次球磨：将二次预烧后的粉末中加入烧结助剂N，并进行三次球磨；7)压制：将三次球磨后的粉末压制成预定形状的粗坯；8)烧结：将粗坯加热，获得致密的陶瓷；9)极化：将陶瓷进行极化，以得到无铅压电陶瓷器件。可选地，所述步骤3)的一次预烧温度为1040～1200℃，保温时间为4～6h；所述步骤5)的二次预烧温度为1060～1220℃，保温时间为4～6h。可选地，所述步骤2)的一次球磨时间为22～26h，所述步骤4)的二次球磨时间为22～26h，所述步骤6)的三次球磨时间为22～26h。可选地，所述步骤8)的烧结温度为1280～1350℃，保温时间为4～6h。可选地，在极化之前，在陶瓷的两面进行被银，然后烧银；所述烧银温度为400～600℃，保温时间为20～40min。根据本公开的一个实施例，无铅压电陶瓷具有优异的压电性能，同时具有较低的烧结温度，克服了现有技术的不足。具体实施方式现在将详细描述本专利技术的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本专利技术的范围。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。根据本公开的一个实施例，提供了一种钛酸钡钙基无铅压电陶瓷。该无铅压电陶瓷以下列通式I表示：(1-x-y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3-mN；(I)其中，M为Ba和Ca中的至少一种，N为CeO2、Y2O3、ZnO中的至少一种；x和y分别表示(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3和MHfO3所占化合物(1-x-y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3的摩尔百分比，m表示N所占化合物(1-x-y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3的质量百分比；其中，0.005≤m≤0.02；0.1≤x≤0.6；0.02≤y≤0.32。例如当x＝0.3，y＝0.02时，(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3占化合物(1-x-y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3的摩尔百分比为30％。MHfO3占化合物(1-x-y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3的摩尔百分比为2％。Ba0.7Ca0.3TiO3占化合物(1-x-y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3的摩尔百分比为68％。该无铅压电陶瓷的组成：68％Ba0.7Ca0.3TiO3—30％(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—2％MHfO3。在本公开实施例中，(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3从高温到低温分别具有四种相结构,分别是立方相、四方相、正交相和三方相，通过加入MHfO3(M为Ba和Ca中的至少一种)，可以使其室温下具有三方相结构，而Ba0.7Ca0.3TiO3在室温下呈现四方相结构，因此通过构建(1-x-y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3(M为Ba和Ca中的至少一种)固溶体，可以在室温形成四方-三方相共存区，即多晶共存相界。这将有利于极化翻转，并形成纳米微畴结构，从而有效增强压电性能，获得高压电性能的钛酸钡钙基无铅压电陶瓷。在粉体制备的过程中，在以上形成的固溶体中加入烧结助剂N(N为CeO2/Y2O3/ZnO中的任意一种或任意几种的组合物)，形成液相烧结，以降低烧结温度。可选地，在一个例子中，0.3≤x≤0.5，0.05≤y≤0.25。在该比例范围内，无铅压电陶瓷表现出优异的压电性能，接近软性锆钛酸铅基陶瓷的水平。根据本公开的另一个实施例，提供了一种钛酸钡钙基无铅压电陶瓷的制备方法，包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛酸钡钙基无铅压电陶瓷，其特征在于，以下列通式I表示：(1‑x‑y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3‑mN；(I)其中，M为Ba和Ca中的至少一种，N为CeO2、Y2O3、ZnO中的至少一种；x和y分别表示(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3和MHfO3所占化合物(1‑x‑y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3的摩尔百分比，m表示N所占化合物(1‑x‑y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3的质量百分比；其中，0.005≤m≤0.02；0.1≤x≤0.6；0.02≤y≤0.32。

【技术特征摘要】
1.一种钛酸钡钙基无铅压电陶瓷，其特征在于，以下列通式I表示：(1-x-y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3-mN；(I)其中，M为Ba和Ca中的至少一种，N为CeO2、Y2O3、ZnO中的至少一种；x和y分别表示(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3和MHfO3所占化合物(1-x-y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3的摩尔百分比，m表示N所占化合物(1-x-y)Ba0.7Ca0.3TiO3—x(Ba0.95Li0.025Nd0.025)TiO3—yMHfO3的质量百分比；其中，0.005≤m≤0.02；0.1≤x≤0.6；0.02≤y≤0.32。2.根据权利要求1所述的钛酸钡钙基无铅压电陶瓷，其特征在于：所述钛酸钡钙基无铅压电陶瓷为三方-四方两相共存结构。3.根据权利要求1所述的钛酸钡钙基无铅压电陶瓷，其特征在于：其中，0.3≤x≤0.5，0.05≤y≤0.25。4.根据权利要求1所述的钛酸钡钙基无铅压电陶瓷，其特征在于：所述钛酸钡钙基无铅压电陶瓷在室温形成纳米微畴结构。5.一种根据权利要求1所述钛酸钡钙基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)配料：以BaCO3、CaCO...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵小波，俞胜平，高洪伟，李凯，丁薇薇，
申请(专利权)人：歌尔股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37