本发明专利技术涉及铁电-反铁电相变无铅铁电陶瓷材料、陶瓷元件及其制备方法，所述铁电-反铁电相变无铅铁电陶瓷材料的化学组成符合化学通式：（1-x）Bi0.5Na0.5TiO3-xBiAlO3，其中0.01≤x≤0.09。本发明专利技术通过组分调整和改进工艺，所获得的陶瓷材料具有较大的剩余极化强度Pr，且该陶瓷在一定的温度下存在铁电-反铁电（FE-AFE）相变，这对陶瓷瞬时脉冲放电或热—电能量转换等领域的实际应用有重要价值。
【技术实现步骤摘要】
铁电-反铁电相变无铅铁电陶瓷材料、陶瓷元件及其制备 方法
本专利技术属于铁电陶瓷领域，涉及一种相变铁电陶瓷，尤其涉及一种高剩余极化强 度和铁电-反铁电（FE-AFE)相变铁电陶瓷材料和陶瓷元件。
技术介绍
铁电陶瓷可直接用于热电换能，脉冲放电等方面。由于具有制备方便、成本低廉、 性能稳定等优点，铁电陶瓷材料在军用和民用领域都得到了广泛的应用。对于铁电陶瓷材 料的应用主要集中于其铁电-反铁电（FE-AFE)相变。在能量存贮方面的应用主要分为 两个方面。一类是该铁电材料存在稳定的反铁电相，如富锆区（Pbp w2Lax) (ZryTizSrvyJ O3 (PLZST)，通过掺杂或者调节实验参数，将能量存贮在反铁电陶瓷材料中。另一种是该种 材料存在某种不稳定的反铁电相，如Pb (Zr95Ti5) O3 (PZT95/5)，经过某种外力的影响可以瞬 间将存贮的能量释放。 利用瞬间相变时的能量转换，PZT95/5基的铁电材料被广泛应用于瞬间脉冲 等领域。但铅基材料存在一定的毒性，继欧盟以来，世界各国逐渐禁止使用各种含铅 电子设备。对于无铅陶瓷领域的研究已成为焦点。对于铁电陶瓷方面，学者对于无铅 Bia5Naa5TiO3(BNT)基铁电陶瓷进行了广泛的研究，发现通过离子改性、工艺改进等各种 手段，使其铁电性能得到了提高。Tadashi Takenaka 等（Japanese Journal of Applied Physics, 30, 9B，（1991))制备了 Bia5Naa5TiO3-BaTiO3(BNT-BT)材料，并研究了其铁电性能， 加入BT后，材料的铁电性能得到了明显的提高，具有较大的剩余极化强度，并在160°C处 发生铁电 -反铁电（FE-AFE)相变。Atsushi Sasaki 等（Japanese Journal of Applied Physics，38, 9B，（1999))制备了 Bia SNaci 5TiO3-Bici 5Kci 5TiO3(BNT-BKT),获得 了较大的剩余 极化强度匕。无铅BNT基体系中，均具有剩余极化强度较高的性能。 近几年，研究人员发现在BNT基的基础上加入一定量的BiAlO3(BA)，可以提高体系 的剩余极化强度（Applied Physics Letters, 93, 112902,（2008))，在BNT-BT体系中也有类 似的效果（Journal of Electroceramics, 30, 82，（2013))。作为现阶段应用的铁电陶瓷， 必须同时具备两个条件：1、室温下，具有较大的剩余极化强度匕；2、在一定温度下，存在铁 电-反铁电（FE-AFE)相变。通过极化工艺，将元件极化为铁电相，存贮能量，匕越大，存贮 的能量越大，使用时，施加一个瞬间的外力，发生铁电-反铁电（FE-AFE)相变，瞬间释放能 量。但是对于BNT-BA，当掺杂量大于0. 09时，BNT-BA出现杂相。如掺杂量达到0. 1时，出 现第二相Bi2Al4O9);掺杂量低于0. 1时，匕有所提高，但是对于铁电陶瓷瞬间脉冲放电的另 一必要条件：铁电-反铁电相变，这方面并没有进行研究。
技术实现思路
面对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于拓展一种新的FE-AFE相变型铁电 陶瓷材料，即提供一种室温下具有较大的剩余极化强度匕，且在一定温度下，存在铁电-反 铁电（FE-AFE)相变的无铅铁电-反铁电（FE-AFE)铁电陶瓷材料，以替代铅基材料，达到绿 色环保的目的。本专利技术在获得了较大的剩余极化强度的同时还对铁电-反铁电相变进行了 系统的研究，可应用于脉冲放电、储能等领域。 在此，一方面，本专利技术提供一种铁电-反铁电相变铁电陶瓷材料，其化学组成符合 化学通式：（I-X)Bi ci 5Naa5Ti03-xBiA103,其中 0· 01 彡 X 彡 0· 09。 本专利技术的铁电-反铁电相变铁电陶瓷材料在室温下具有较大的剩余极化值已，高 达 30 ?47μ C/cm2。 较佳地，0. 05 < x < 0. 09。此时，本专利技术的铁电-反铁电相变铁电陶瓷材料的剩 余极化值匕高达33?47 μ C/cm2。 所述铁电-反铁电相变铁电陶瓷材料在室温下为铁电、反铁电共存相，随着温度 的变化，发生可逆的铁电-反铁电（FE-AFE)相变，相变温度为200°C?250°C。 本专利技术通过组分调整和改进工艺，所获得的陶瓷材料具有较大的剩余极化强度 Pp且该陶瓷在一定的温度下存在铁电-反铁电（FE-AFE)相变，这对陶瓷瞬时脉冲放电或 热一电能量转换等领域的实际应用有重要价值。而且本专利技术的铁电陶瓷材料不含毒性成分 铅，绿色环保。 另一方面，本专利技术还提供上述铁电-反铁电相变铁电陶瓷材料的制备方法，包括 以下步骤： (a) 以 Bi203、Ti02、Na2CO3 和 Al2O3 的粉体为原料，按照（I-X)Bia5Naa5TiO3-XBiAlO 3 的 对应元素的化学计量比配制，用湿式球磨法混合，烘干后压块，烧结后得到陶瓷粉体； (b) 将步骤（a)所得的陶瓷粉体用湿式球磨法细磨，烘干后加入粘结剂造粒，陈化后压 制成型，然后升温排塑，得到陶瓷坯体； (c) 将步骤（b)所得的陶瓷坯体放入高温炉中，用具有与步骤（a)所得的组成成分相同 的陶瓷粉体覆盖陶瓷坯体，烧结后得到所述铁电-反铁电相变铁电陶瓷材料。 本专利技术的制备方法中，在将陶瓷坯体烧结时，在其上覆盖组成成分相同的陶瓷粉 体，以此可以防止铋组分挥发。本专利技术具有工艺简单的优点，适合规模化生产，能满足工业 化需求。 较佳地，步骤（a)中的湿式球磨法混合中，按照原料：磨球：乙醇=I: (1. 8? 2. 2) : (0. 7?1. 0)的质量比混合20?28小时，其中磨球为钢球、锆球或玛瑙球；步骤（a) 中的烧结条件为以1?2. 5°C /分钟的升温速度升至820?880°C，保温1?3小时。 较佳地，步骤（b)中的湿式球磨法中，按照陶瓷粉体：磨球：乙醇=1:(1.8? 2. 2) : (0. 5?0. 7)的质量比细磨，其中磨球为钢球、锫球或玛瑙球；所述的湿式球磨法细 磨时间为20?28小时，细磨后得到陶瓷粉料；粘结剂的加入量为陶瓷粉料重量的8? IOwt. % ;陈化时间为22?26小时；所述排塑于750?800°C下进行。 较佳地，步骤（c)中的烧结条件为以1?2. 5°C/min的升温速度升至1100? 1200°C，保温1?2小时，随炉冷却。 再一方面，本专利技术还提供一种铁电-反铁电相变铁电陶瓷元件，所述铁电-反铁电 相变铁电陶瓷元件由上述任意一种铁电-反铁电相变铁电陶瓷材料加工成所需尺寸后被 银、烧银而制成。 较佳地，所述烧银的工艺条件为在650?750°C下保温20?40分钟。 本专利技术的铁电-反铁电相变铁电陶瓷元件在室温下具有较高的剩余极化强度，其 值为 30 ?47μ C/cm2。 本专利技术的铁电-反铁电相变铁电陶瓷元件在室温时为铁电、反铁电共存相。 本专利技术的铁电-反铁电相变铁电陶瓷元件随着温度的变化，发生可逆的铁电-反 铁电（FE-AFE)本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种铁电‑反铁电相变铁电陶瓷材料，其特征在于，所述铁电‑反铁电相变铁电陶瓷材料的化学组成符合化学通式：（1‑x）Bi0.5Na0.5TiO3‑xBiAlO3，其中0.01≤x≤0.09。
【技术特征摘要】
1. 一种铁电-反铁电相变铁电陶瓷材料，其特征在于，所述铁电-反铁电相变铁电陶瓷 材料的化学组成符合化学通式：（1-x) BiQ.5NaQ.5Ti03-xBiA10 3，其中0. 01 < X < 0. 09。2. 根据权利要求1所述的铁电-反铁电相变铁电陶瓷材料，其特征在于，所述铁电-反 铁电相变铁电陶瓷材料在室温下的剩余极化强度为30?47 y C/cm2。3. 根据权利要求1或2所述的铁电-反铁电相变铁电陶瓷材料，其特征在于， 0. 05 < x < 0. 09。4. 根据权利要求3所述的铁电-反铁电相变铁电陶瓷材料，其特征在于，所述铁电-反 铁电相变铁电陶瓷材料的剩余极化强度为33?47 y C/cm2。5. 根据权利要求1至4中任一项所述的铁电-反铁电相变铁电陶瓷材料，其特征在于， 所述铁电-反铁电相变铁电陶瓷材料在室温下为铁电、反铁电共存相，随着温度的变化，发 生可逆的铁电-反铁电相变，相变温度为200°C?250°C。6. -种权利要求1至5中任一项所述的铁电-反铁电相变铁电陶瓷材料的制备方法， 其特征在于，包括以下步骤： (a) 以 Bi203、Ti02、Na2C03 和 A1203 的粉体为原料，按照（1-x) BiQ.5NaQ.5Ti03-xBiA10 3 的 对应元素的化学计量比配制，用湿式球磨法混合，烘干后压块，烧结后得到陶瓷粉体； (b) 将步骤（a)所得的陶瓷粉体用湿式球磨法细磨，烘干后加入粘结剂造粒，...
【专利技术属性】
技术研发人员：王根水，彭巍，毛朝梁，曹菲，董显林，陈学峰，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31
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