一种锆钛酸钡钙基压电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种锆钛酸钡钙基压电陶瓷及其制备方法，属于压电陶瓷电子元器件技术领域。该陶瓷由通式所示的化学组成Ba1‑

Zirconium barium titanate calcium based piezoelectric ceramic and preparation method thereof

The invention relates to a calcium titanate piezoelectric ceramic based on barium titanate and a preparation method thereof, belonging to the technical field of piezoelectric ceramic electronic components. Ba1 chemical composition of the ceramic shown by formula

【技术实现步骤摘要】
一种锆钛酸钡钙基压电陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及压电陶瓷电子元器件
，具体涉及一种锆钛酸钡钙基压电陶瓷及其制备方法。
技术介绍
锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷（称为BCZT基陶瓷）材料被公认为“电子陶瓷工业未来的支柱”。BCZT基陶瓷材料取代含铅材料不仅可以减少对环境污染，而且能够有效地将声、热、光、电等信号转化为可收集与操控的信号，是传感器、谐振器、转换器、驱动器、谐振器等电子元器件材料选择中不可或缺的。随着电子陶瓷领域的不断发展，对压电材料的电学性能的灵敏度提出了更高的要求，即可将极微弱的信号接收、转化、处理和贮存。此外，还要求压电材料在较宽温度区间内保持力学和电学性能的稳定，从而使得电子元器件能够在特殊环境与很宽的温度区间下正常使用。在压电陶瓷材料的选择上，替代性能优异的含铅材料在电子元器件中的应用具有非常大的挑战，主要是由于包括BCZT基陶瓷在内的无铅材料普遍电学性能的欠佳、电学性能稳定性差、价格昂贵。BCZT基陶瓷材料能够应用于电子陶瓷工业中的关键：增加电学性能及其稳定性、提高力学加工性、降低材料的成本。BCZT基陶瓷传统上利用固相法制得的粉体，采用~1450℃高温的无压烧结制备得到。工艺中制备的粉体组成波动性大、粉体粒径分布宽；制备的陶瓷结构缺陷较多、力学性能差、电学性能不稳定。通常，人们加入烧结助剂以降低BCZT基陶瓷无压烧结的温度来减少结构中的缺陷，但该方法会在陶瓷结构中形成杂质相而造成介电性能恶化、压电性能弱化等。此外，以液相化学法制备的BCZT基陶瓷纳米粉体为原料，能够有效降低陶瓷烧结温度并提高其电学性能。然而液相化学法主要集中在溶胶-凝胶法、水热合成法、乳液聚合法等，这些方法大都工艺比较复杂、操作困难、设备投入费用较高，很难大批量生产。在制备的粉体基础上，选择放电等离子烧结、热压烧结、微波烧结等制备BCZT基陶瓷。虽然在一定程度上提高了陶瓷的电学性能，但这些精密设备大都投入较高、操作过程的工艺复杂、陶瓷材料电学性能的波动性大，且很难在工业化生产中广泛应用。因此，进一步改进现有的BCZT基陶瓷制备工艺、降低其成本和提高其电学性能，是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
为了克服现有技术中液相化学法制备BCZT基陶瓷纳米粉体的工艺不足和提高其电学性能，本专利技术提供了一种新型的BCZT基压电陶瓷及其制备方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种锆钛酸钡钙基压电陶瓷，包括下列原料：钛酸四丁酯、乙酸钡、硝酸钙、硝酸锆、柠檬酸、乙二醇和酒精；所述的锆钛酸钡钙基压电陶瓷的成分组成可用化学式表示为：Ba1-xCaxTi1-yZryO3，其中x=0.00~0.20；y=0.00~0.15；所述的钛酸四丁酯：乙二醇：酒精的体积比为2:5:8；所述的柠檬酸和酒精摩尔比为1:2；所述的锆钛酸钡钙基压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：1）将钛酸四丁酯溶解在乙二醇和酒精中，然后将柠檬酸与酒精的混合溶液逐滴加入到上述溶液中，并在室温下搅拌0.5~1小时制得澄清溶液1；2）将按照化学式中金属离子摩尔比称量的乙酸钡溶解在去离子水中，然后将其逐滴加到步骤1）制得温度为50~65℃的澄清溶液1中，搅拌0.5~1小时制得均一溶液2；3）将按照化学式中金属离子摩尔比称量的硝酸锆、硝酸钙分别溶解在去离子水中，并按照先滴加硝酸锆后滴加硝酸钙的顺序滴加到步骤2）制备的均一溶液2中，在60~85℃的温度下搅拌0.5~1小时得到均一稳定的螯合物溶胶；4）步骤3）制备的凝胶在350~400℃的马弗炉中焦化1~2小时得到黑色发泡物，将发泡物研磨后在700~900℃的高温炉中煅烧1~2小时得到BCZT基陶瓷纳米粉体；5）步骤4）制备的纳米粉体经造粒、干压成型得到陶瓷生坯，生坯在1150~1250℃的高温炉中烧结2~3小时得到BCZT基陶瓷；所述的步骤5）中造粒加入的粘合剂是质量分数为5%聚乙烯醇0.3~0.5ml，以易于粉体的成型黏结；干压成型BCZT基陶瓷的厚度为2~3mm，直径为16mm，压力为150Mpa；成型后的生坯需在空气中静置12~24小时，以排除结构中残存的应力；生坯在550~650℃下排胶1~2小时，防止粘合剂被封存在陶瓷结构中；排胶后的生坯在高纯度的纳米氧化铝粉中包埋，以均匀受热；本专利技术中的烧结制度：烧结坯体的高温炉首先升温到1250~1290℃，随后停止加热随炉冷却到1150~1250℃，最终完成烧结过程；所述的步骤5）制备的陶瓷样品经抛光、被银电极、极化等处理工艺后，通过测试技术测得BCZT基陶瓷的介电和压电性能。所述的步骤5）制得的锆钛酸钡钙基压电陶瓷的性能为：压电系数d33=479~634pC/N；最大相对介电常数εr=12328~13582。所述的测试条件为：银电极烧渗温度为570~580℃，烧渗时间为10~15分钟；极化过程中采用的直流电压为3~5kV/cm，极化温度为室温~45℃，极化时间为30~45分钟。积极有益效果：本专利技术通过对聚合物前驱体法改性制备BCZT基陶瓷纳米粉体；采用无压烧结制备致密化程度高、结构稳定、性能优异的BCZT基陶瓷；通过被银、极化等处理后测试陶瓷的电学性能。本专利技术能够解决液相化学法制备BCZT基陶瓷纳米粉体的工艺复杂、操作困难和成本较高等问题，并能实现BCZT基陶瓷纳米粉体大批量连续化生产。在预制备纳米粉体的基础上，采用的无压烧结工艺，可有效降低陶瓷烧结温度，并能得到致密化程度高和电学性能优异的BCZT基陶瓷。同时，具有优异电学性能的BCZT基陶瓷（压电系数d33=479~634pC/N；最大相对介电常数εr=12328~13582）在压电陶瓷电子元器件
具有非常可观的应用价值与商业前景。附图说明图1为本专利技术BCZT基陶瓷纳米粉体制备的流程图；图2为本专利技术中制备的BCZT基陶瓷纳米粉体透射电镜图；图3为本专利技术中制备的BCZT基陶瓷的断面形貌图。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：一种锆钛酸钡钙基压电陶瓷，包括下列原料：钛酸四丁酯、乙酸钡、硝酸钙、硝酸锆、柠檬酸、乙二醇和酒精；所述的锆钛酸钡钙基压电陶瓷的成分组成可用化学式表示为：Ba1-xCaxTi1-yZryO3，其中x=0.00~0.20；y=0.00~0.15；所述的钛酸四丁酯：乙二醇：酒精的体积比为2:5:8；所述的柠檬酸和酒精摩尔比为1:2；如图1所示，所述的锆钛酸钡钙基压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：1）将钛酸四丁酯溶解在乙二醇和酒精中，然后将柠檬酸与酒精的混合溶液逐滴加入到上述溶液中，并在室温下搅拌0.5~1小时制得澄清溶液1；2）将按照化学式中金属离子摩尔比称量的乙酸钡溶解在去离子水中，然后将其逐滴加到步骤1）制得温度为50~65℃的澄清溶液1中，搅拌0.5~1小时制得均一溶液2；3）将按照化学式中金属离子摩尔比称量的硝酸锆、硝酸钙分别溶解在去离子水中，并按照先滴加硝酸锆后滴加硝酸钙的顺序滴加到步骤2）制备的均一溶液2中，在60~85℃的温度下搅拌0.5~1小时得到均一稳定的螯合物溶胶；4）步骤3）制备的凝胶在350~400℃的马弗炉中焦化1~2小时得到黑色发泡物，将发泡物研磨后在700~900℃的高温炉中煅烧1~2小时得到BCZT基陶瓷纳米粉体；5）步骤4）制备的纳米粉体经造粒、干压成型本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锆钛酸钡钙基压电陶瓷，其特征在于，包括下列原料：钛酸四丁酯、乙酸钡、硝酸钙、硝酸锆、柠檬酸、乙二醇和酒精。

【技术特征摘要】
1.一种锆钛酸钡钙基压电陶瓷，其特征在于，包括下列原料：钛酸四丁酯、乙酸钡、硝酸钙、硝酸锆、柠檬酸、乙二醇和酒精。2.根据权利要求1所述的一种锆钛酸钡钙基压电陶瓷，其特征在于：所述的锆钛酸钡钙基压电陶瓷的成分组成可用化学式表示为：Ba1-xCaxTi1-yZryO3，其中x=0.00~0.20；y=0.00~0.15。3.根据权利要求1所述的一种锆钛酸钡钙基压电陶瓷，其特征在于：所述的钛酸四丁酯：乙二醇：酒精的体积比为2:5:8。4.根据权利要求1所述的一种锆钛酸钡钙基压电陶瓷，其特征在于：所述的柠檬酸和酒精摩尔比为1:2。5.如权利要求1所述的锆钛酸钡钙基压电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）将钛酸四丁酯溶解在乙二醇和酒精中，然后将柠檬酸与酒精的混合溶液逐滴加入到上述溶液中，并在室温下搅拌0.5~1小时制得澄清溶液1；2）将按照化学式中金属离子摩尔比称量的乙酸钡溶解在去离子水中，然后将其逐滴加到步骤1）制得温度为50~65℃的澄清溶液1中，搅拌0.5~1小时制得均一溶液2；3）将按照化学式中金属离子摩尔比称量的硝酸锆、硝酸钙分别溶解在去离子水中，并按照先滴加硝酸锆后滴加硝酸钙的顺序滴加到步骤2）制备的均一溶液2中，在60~85℃的温度下搅拌0.5~1小时得到均一稳定的螯合物溶胶；4）步骤3）制备的凝胶在350~400℃的马弗炉中焦化1~2小时得到黑色发泡物，将发泡物研磨后在700~900℃的高温炉中煅烧1~2小时得到BCZT基陶瓷纳米粉体；5）步骤4）制备的纳米粉体经...

【专利技术属性】
技术研发人员：田永尚，李水云，刘鹏，李天天，于永生，唐旖天，井强山，
申请(专利权)人：信阳师范学院，
类型：发明
国别省市：河南,41