无铅压电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及无铅压电陶瓷及其制备方法，可有效解决生产工艺复杂，烧结困难，压电陶瓷性能差，达不到实际应用中的要求问题，方法是，将BaCO3、ZrO2、TiO2粉末装入球磨罐加乙醇研磨，烘干，压片，预烧，合成BaZr0.055Ti0.945O3；将Bi2O3、Na2CO3、TiO2、MnO2和BaZr0.055Ti0.945O3加乙醇球磨，烘干，加入粘合剂，压坯，排塑，用粉料掩埋烧结，涂银浆，煅烧，在表面形成银电极；然后放在硅油中，电场极化，即成无铅压电陶瓷材料；本发明专利技术首次设计并合成Mn共掺的Bi0.5Na0.5TiO3‑BaZr0.055Ti0.945O3无铅压电陶瓷，有效降低压电陶瓷的矫顽场和漏电流，提高可极化度，性能好，方法简单，易生产制备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电化学，特别是一种无铅压电陶瓷及其制备方法。
技术介绍
压电陶瓷能够实现机械能与电能之间的相互转换，利用压电陶瓷的制成的机电设备已经被广泛应用在了军事、国防、医疗以及人类生产生活的各个领域。PZT基压电陶瓷自从发现以来由于其优异的电学性能是目前应用最广泛一类陶瓷材料。但是，铅基压电陶瓷中含有60%以上的铅，铅是一种有毒物质，在陶瓷的制备、使用、废弃的过程中都会给人类和环境造成危害。随着人们环保意识的增强，各国开始颁布法律法规禁止在电子电器设备中使用含铅材料。在这种大环境下，开发性能优异的环境友好的无铅压电陶瓷来取代铅基压电材料成为了一项迫切而艰巨的任务。在众多无铅压电陶瓷中，A位复合钙钛矿处于铁电陶瓷Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)由于其优异的电学性能被认为是能够取代PZT基压电陶瓷的候选材料之一。但是纯的BNT陶瓷具有大的矫顽场（Ec≈7.3kV/mm）和高的漏电流，造成纯的Bi0.5Na0.5TiO3陶瓷极化困难，压电常数d33≈73pC/N，无法满足实际应用的要求，而且操作工艺复杂，所制备出的压电陶瓷材料性能差，纯的BNT陶瓷烧结温区窄、致密度欠佳、物理化学性质不稳定限制了其在实际中的应用。目前虽有一系列二元、三元甚至四元体系的BNT基陶瓷，大大提高了陶瓷的压电性能。相比于二元系陶瓷，三元和四元系陶瓷的组分可调节性大，性能更加优异，但配方比较复杂，烧结困难，因此，压电陶瓷材料上的改进和创新势在必行。
技术实现思路
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本专利技术之目的就是提供一种无铅压电陶瓷及其制备方法，可有效解决生产工艺复杂，烧结困难，压电陶瓷性能差，达不到实际应用中的要求问题。本专利技术解决的技术方案是，通过在BNT中掺入杂质离子或能与之形成固溶体的组元，形成具有准同型相界（MPB）的固溶体，以降低该陶瓷的矫顽场和漏电流，提高可极化度及性能。据此，一种Mn掺杂的Bi0.5Na0.5TiO3-BaZr0.055Ti0.945O3（BNT-BZT）无铅压电陶瓷是以具有三方-四方准同型相界的0.93BNT-0.07BZT为基体，MnO2为掺杂物，MnO2占BNT-BZT的重量百分比为0.001%～0.375%。本专利技术无铅压电陶瓷的制备方法由以下步骤实现：（1）以BaCO3、ZrO2、TiO2粉末为原料，根据化学式BaZr0.055Ti0.945O3，按照BaZr0.055Ti0.945O3的化学计量比称料，BaCO3：ZrO2：TiO2摩尔比为1：0.055：0.945；（2）将步骤（1）称好的粉末装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，采用行星式球磨机球磨1-72h，使粉体混合均匀、颗粒大小一致，为产品质量提供保证；（3）将步骤（2）球磨好的浆料烘干，压成Ф60的圆片，放入刚玉坩埚，然后放入马弗炉中预烧，预烧温度1100-1250℃，预烧时间2-5h，使原料充分反应合成BaZr0.055Ti0.945O3；；（4）以Bi2O3、Na2CO3、TiO2、MnO2和步骤（3）与预烧好的BaZr0.055Ti0.945O3粉末为原料，根据化学式0.93BNT-0.07BZT+x%MnO2，按照Bi2O3：Na2CO3：TiO2：BaZr0.055Ti0.945O3的摩尔比为0.465：0.465：0.93：0.07的化学计量比称取原料，再按照MnO2占0.93BNT-0.07BZT质量比为x%的比例称取MnO2，其中0.001≤x≤0. 375；（5）将步骤（4）称好的粉末装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，采用行星式球磨机球磨1-72h；（6）将步骤（5）球磨好的浆料烘干，压成Ф60的圆片，放入刚玉坩埚，然后放入马弗炉中预烧，预烧温度700-850℃，预烧时间2-5h；（7）将步骤（6）预烧好的片磨碎，装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，采用行星式球磨机球磨1-72h；（8）将步骤（7）球磨好的浆料烘干，每100g粉料中加入6g粘合剂，放置24h，过150-200目的筛，成粉料；所述粘合剂为质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液；（9）将粉料压片成型为坯，成型压力为200-330MPa，坯的直径为13mm；（10）将坯放入刚玉坩埚，然后放入马弗炉中排塑，排塑温度500-750℃，排塑时间1-5h，成素坯；（11）将排完塑的素坯放入刚玉坩埚，用相同素坯重量比的粉料掩埋，放入马弗炉中烧结，烧结温度为1100-1150℃，烧结时间2-5h，得到Mn掺杂的Bi0.5Na0.5TiO3-BaZr0.055Ti0.945O3无铅压电陶瓷；（12）将步骤（11）制备的无铅压电陶瓷的上下表面进行打磨平整，涂上银浆，在550-750℃煅烧10-60min，在表面形成28-32微米的银电极；（13）被好银电极的无铅压电陶瓷放在硅油中，用5-7kV/mm的电场极化5-60min，放置24h，即成无铅压电陶瓷材料；所述的粘合剂为聚乙烯醇（PVA）。本专利技术首次设计并合成Mn共掺的Bi0.5Na0.5TiO3-BaZr0.055Ti0.945O3无铅压电陶瓷，并对其电学性能进行了系统地研究、测试，有效降低压电陶瓷的矫顽场和漏电流，提高可极化度，性能好，在某些方面可以取代PZT陶瓷，而且方法简单，易生产制备，具有很强的实际应用价值。附图说明图1为本专利技术的无铅压电陶瓷材料的性能测试结果图。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术的具体实施方式作详细说明。本专利技术在具体实施中由以下实施例给出。实施例1本专利技术在具体实施中，由以下步骤实现：（1）、配料：将以摩比计的BaCO3：ZrO2：TiO2=1：0.055：0.945混合在一起，制成粉末；（2）将步骤（1）制成的粉末装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，采用行星式球磨机球磨24h，成浆料；（3）将步骤（2）制备的浆料在干燥箱中105℃烘干，压成Ф60的圆片，放入刚玉坩埚，然后放入马弗炉中预烧，预烧温度1200℃,预烧时间2h，反应合成BaZr0.055Ti0.945O3；（4）以Bi2O3、Na2CO3、TiO2、MnO2和BaZr0.055Ti0.945O3粉末为原料，根据化学式0.93BNT-0.07BZT+0.125%MnO2，按照Bi2O3：Na2CO3：TiO2：BaZr0.055Ti0.945O3的摩尔比为0.465：0.465：0.93：0.07称取原料，再按照MnO2占0.93BNT-0.07BZT质量比为0.125%的比例称取MnO2，混合在一起，制成粉末；（5）将步骤（4）制好的粉末装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，采用行星式球磨机球磨24h；（6）将步骤（5）球磨好的浆料在干燥箱中105℃烘干，压成Ф60的圆片，放入刚玉坩埚，然后放入马弗炉中预烧，预烧温度800℃,预烧时间3h；（7）将步骤（6）预烧好的片磨碎，装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，采用行星式球磨机球磨12h；（8）将步骤（7）球磨好的浆料烘干，每100g粉料中加入6g粘合剂，放置24h，过150-200目的筛，成粉料；所述粘合剂为质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液；（9）将粉料进行压片成型，成型压力为250MPa，坯的直径为13mm；（10）将步骤（9）成型后的坯放入刚玉坩埚，然后放入马弗炉中排塑，排塑温度550℃，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无铅压电陶瓷及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）以BaCO3、ZrO2、TiO2粉末为原料，根据化学式BaZr0.055Ti0.945O3， BaCO3：ZrO2：TiO2摩尔比为1：0.055：0.945；（2）将步骤（1）称好的粉末装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，采用行星式球磨机球磨1‑72h，使粉体混合均匀、颗粒大小一致；（3）将步骤（2）球磨好的浆料烘干，压成Ф60的圆片，放入刚玉坩埚，然后放入马弗炉中预烧，预烧温度1100‑1250℃，预烧时间2‑5h，使原料充分反应合成BaZr0.055Ti0.945O3；；（4）以Bi2O3、Na2CO3、TiO2、MnO2和步骤（3）与预烧好的BaZr0.055Ti0.945O3粉末为原料，根据化学式0.93BNT‑0.07BZT+x%MnO2，按照Bi2O3：Na2CO3：TiO2：BaZr0.055Ti0.945O3的摩尔比为0.465：0.465：0.93：0.07的化学计量比称取原料，再按照MnO2占0.93BNT‑0.07BZT质量比为x%的比例称取MnO2，其中0.001≤x≤0. 375；（5）将步骤（4）称好的粉末装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，采用行星式球磨机球磨1‑72h；（6）将步骤（5）球磨好的浆料烘干，压成Ф60的圆片，放入刚玉坩埚，然后放入马弗炉中预烧，预烧温度700‑850℃，预烧时间2‑5h；（7）将步骤（6）预烧好的片磨碎，装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，采用行星式球磨机球磨1‑72h；（8）将步骤（7）球磨好的浆料烘干，每100g粉料中加入6g粘合剂，放置24h，过150‑200目的筛，成粉料；所述粘合剂为质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液；（9）将粉料压片成型为坯，成型压力为200‑330MPa，坯的直径为13mm；（10）将坯放入刚玉坩埚，然后放入马弗炉中排塑，排塑温度500‑750℃，排塑时间1‑5h，成素坯；（11）将排完塑的素坯放入刚玉坩埚，用相同素坯重量比的粉料掩埋，放入马弗炉中烧结，烧结温度为1100‑1150℃，烧结时间2‑5h，得到Mn掺杂的Bi0.5Na0.5TiO3‑BaZr0.055Ti0.945O3无铅压电陶瓷；（12）将步骤（11）制备的无铅压电陶瓷的上下表面进行打磨平整，涂上银浆，在550‑750℃煅烧10‑60min，在表面形成28‑32微米的银电极；（13）被好银电极的无铅压电陶瓷放在硅油中，用5‑7kV/mm的电场极化5‑60min，放置24h，即成无铅压电陶瓷材料。...

【技术特征摘要】
1.一种无铅压电陶瓷及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）以BaCO3、ZrO2、TiO2粉末为原料，根据化学式BaZr0.055Ti0.945O3， BaCO3：ZrO2：TiO2摩尔比为1：0.055：0.945；（2）将步骤（1）称好的粉末装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，采用行星式球磨机球磨1-72h，使粉体混合均匀、颗粒大小一致；（3）将步骤（2）球磨好的浆料烘干，压成Ф60的圆片，放入刚玉坩埚，然后放入马弗炉中预烧，预烧温度1100-1250℃，预烧时间2-5h，使原料充分反应合成BaZr0.055Ti0.945O3；；（4）以Bi2O3、Na2CO3、TiO2、MnO2和步骤（3）与预烧好的BaZr0.055Ti0.945O3粉末为原料，根据化学式0.93BNT-0.07BZT+x%MnO2，按照Bi2O3：Na2CO3：TiO2：BaZr0.055Ti0.945O3的摩尔比为0.465：0.465：0.93：0.07的化学计量比称取原料，再按照MnO2占0.93BNT-0.07BZT质量比为x%的比例称取MnO2，其中0.001≤x≤0. 375；（5）将步骤（4）称好的粉末装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，采用行星式球磨机球磨1-72h；（6）将步骤（5）球磨好的浆料烘干，压成Ф60的圆片，放入刚玉坩埚，然后放入马弗炉中预烧，预烧温度700-850℃，预烧时间2-5h；（7）将步骤（6）预烧好的片磨碎，装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，采用行星式球磨机球磨1-72h；（8）将步骤（7）球磨好的浆料烘干，每100g粉料中加入6g粘合剂，放置24h，过150-200目的筛，成粉料；所述粘合剂为质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液；（9）将粉料压片成型为坯，成型压力为200-330MPa，坯的直径为13mm；（10）将坯放入刚玉坩埚，然后放入马弗炉中排塑，排塑温度500-750℃，排塑时间1-5h，成素坯；（11）将排完塑的素坯放入刚玉坩埚，用相同素坯重量比的粉料掩埋，放入马弗炉中烧结，烧结温度为1100-1150℃，烧结时间2-5h，得到Mn掺杂的Bi0.5Na0.5TiO3-BaZr0.055Ti0.945O3无铅压电陶瓷；（12）将步骤（11）制备的无铅压电陶瓷的上下表面进行打磨平整，涂上银浆，在550-750℃煅烧10-60min，在表面形成28-32微米的银电极；（13）被好银电极的无铅压电陶瓷放在硅油中，用5-7kV/mm的电场极化5-60min，放置24h，即成无铅压电陶瓷材料。2.根据权利要求1所述的无铅压电陶瓷及其制备方法，其特征在于，由以下步骤实现：（1）、配料：将以摩比计的BaCO3：ZrO2：TiO2=1：0.055：0.945混合在一起，制成粉末；（2）将步骤（1）制成的粉末装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，采用行星式球磨机球磨24h，成浆料；（3）将步骤（2）制备的浆料在干燥箱中105℃烘干，压成Ф60的圆片，放入刚玉坩埚，然后放入马弗炉中预烧，预烧温度1200℃,预烧时间2h，反应合成BaZr0.055Ti0.945O3；（4）以Bi2O3、Na2CO3、TiO2、MnO2和BaZr0.055Ti0.945O3粉末为原料，根据化学式0.93BNT-0.07BZT+0.125%MnO2，按照Bi2O3：Na2CO3：TiO2：BaZr0.055Ti0.945O3的摩尔比为0.465：0.465：0.93：0.07称取原料，再按照MnO2占0.93BNT-0.07BZT质量比为0.125%的比例称取MnO2，混合在一起，制成粉末；（5）将步骤（4）制好的粉末装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，采用行星式球磨机球磨24h；（6）将步骤（5）球磨好的浆料在干燥箱中105℃烘干，压成Ф60的圆片，放入刚玉坩埚，然后放入马弗炉中预烧，预烧温度800℃,预烧时间3h；（7）将步骤（6）预烧好的片磨碎，装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，采用行星式球磨机球磨12h；（8）将步骤（7）球磨好的浆料烘干，每100g粉料中加入6g粘合剂，放置24h，过150-200目的筛，成粉料；所述粘合剂为质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液；（9）将粉料进行压片成型，成型压力为250MPa，坯的直径为13mm；（10）将步骤（9）成型后的坯放入刚玉坩埚，然后放入马弗炉中排塑，排塑温度550℃，排塑时间2h；排塑过程中的温度和时间的选择会对最终所制成的压电陶瓷的性能带来影响，属于压电陶瓷制造过程中的关键因素；（11）将排完塑的素坯放入刚玉坩埚，用步骤（4）中相同配比的粉料掩埋，放入马弗炉中烧结，烧结温度为1120℃，烧结时间2h，得到0.93BNT-0.07BZT-0.125wt% MnO2无铅压电陶瓷；（12）将上述得到的压电陶瓷的上下表面进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洁，王竹，郭菲菲，李欣宇，冯莎莎，董彦峰，
申请(专利权)人：北京中科奥倍超声波技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11