一种高温巨电致应变陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高温用巨电致应变陶瓷材料，其以Bi

A high temperature giant electric strain ceramic material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种高温巨电致应变陶瓷材料及其制备方法
本专利技术属于电子功能材料与器件
，特别涉及一种高温巨电致应变陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
压电陶瓷材料是一种重要的功能材料，在航空航天、石油化工、电子电路等领域得到了广泛的应用。利用压电陶瓷的电致应变特性，可以制作压电驱动器或马达。然而，由于目前的压电陶瓷，尤其是无铅压电陶瓷其电致应变性能与压电单晶差距较大，要想使用具有巨大电致应变的材料，仍然要选择生产工艺复杂、制作成本高昂的单晶材料。此外，由于工业技术的不断发展，对压电材料提出了更高的要求，要求其能在如高温等极端条件下服役。目前多数压电材料或器件受限于其居里温度等物理特性，其使用温度一般较低，压电性能随温度的升高会明显地恶化。因此，开发一种具有优异的巨电致应变性能的多晶陶瓷材料具有重要意义，并且希望其能在高温等极端条件下能保持较高的性能，从而适合于汽车的电控汽油喷射系统以及高温压电致动器或马达等应用领域。
技术实现思路
针对于上述
技术介绍
存在的问题，本专利技术设计了一种压电陶瓷材料，具体组成如下。一种巨电致应变多晶陶瓷材料，可在高温下使用，其主体成分为钛酸铋钠(BNT)，具体的化学成分为(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBi0.1Na0.7NbO3，其中x＝0.05-0.2。这种陶瓷材料具有良好的介电、压电、铁电性能，其1kHz频率下室温的介电常数为800-1050，1kHz下最大介电常数εm为900-2350。低于350℃时，1kHz下介电损耗不超过5％。其不含铅，环保可靠，但拥有超出目前主流使用的含铅陶瓷的电致应变性能，其中x＝0.1成分的陶瓷在约185℃的条件下，其最大单极应变可达1.6％左右，这个电致应变数值与报道的单晶的最大电致应变数值相当，但是由于生产工艺简单，生产成本较低，这种陶瓷材料具有更好的应用前景。此外，本专利技术的压电陶瓷材料其电致应变性能从室温到高温会不断上升，在一定的高温下(100-250℃)达到最大值，并且其最适使用温度会随着成分中x的数值变化而得到调节(x越大，最适使用温度越低)。在100-250℃范围内，这种材料的应变范围为0.5-1.6％，在185℃对应x＝0.1达到单极应变最大值(1.6％)。因此有望开发出一系列适用于不同高温范围的巨电致应变陶瓷材料。本专利技术采用技术路线如下：(1)分别称取合适比例的原料粉体，包括碳酸钠、氧化铋、二氧化钛(金红石相)、氧化铌。加入合适含量的酒精作为球磨介质，混合行星球磨4小时以上，球料比为15:1，转速为300转/分钟。(2)将混合均匀的Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)以及Bi0.1Na0.7NbO3(BNN)浆料干燥并过60目筛，在800-900℃下预烧2-4小时。(3)根据所需比例将预烧后的BNT以及BNN粉体进行混合，重新混合行星球磨4小时以上，球料比为15:1，转速为300转/分钟。(4)粉体干燥过60目筛后，加入适量的聚乙烯醇水溶液(PVA)或聚乙烯醇缩丁醛酒精溶液(PVB)，研磨造粒，并通过干压成型，施加轴向压力100-200兆帕。(5)对生坯在600℃下进行排胶处理，时长2小时，并在1060-1180℃的条件下，对陶瓷进行烧结，烧结时间为1-3小时。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术设计了一种新型的陶瓷成分，其具有巨大的单极电致应变；(2)与目前主流使用的含铅的陶瓷相比，此种陶瓷不含铅等有毒元素，原料也更为简单，更符合环保节能的要求，其应变数值也更大；(3)与目前主流使用的单晶相比，此种陶瓷的合成工艺更为简单，成本大大降低，而应变数值相当或更优；(4)通过成分的设计可以改变此种陶瓷最大应变的使用温度，因此可以得到一系列适用于不同的高温范围的巨电致应变陶瓷材料，有望在汽车的电控汽油喷射系统以及高温压电致动器或马达等领域中得到应用；(5)其电致应变曲线的滞后性较小，线性度较好，因此有望在精确控制等领域得到应用。附图说明图1为本专利技术实施例1陶瓷的表面显微形貌图。图2为本专利技术实施例1陶瓷的X-射线衍射(XRD)谱图。图3为本专利技术实施例2陶瓷在不同温度下的最大电致应变以及d33*＝Smax/Emax的数值。图4为本专利技术实施例3陶瓷的变温电滞回线和变温电致应变曲线。具体实施方式下面通过附图和实施例对本专利技术进一步说明，但本专利技术并不局限于这些实施例。实施例中如无特殊说明，所述试剂和材料，均可从商业途径获得。实施例1根据0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05Bi0.1Na0.7NbO3的化学组成，称量氧化铋、碳酸钠、二氧化钛(金红石相)和氧化铌等原料，通过传统的固相反应法烧结陶瓷。分别按照Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)以及Bi0.1Na0.7NbO3(BNN)的配比，称取上述原料，加入合适含量的酒精，进行行星球磨4小时；随后将浆料烘干，过筛后在850℃条件下预烧2小时；将得到的BNT以及BNN预烧粉按照0.95BNT-0.05BNN的比例再混合球磨4小时，烘干过筛后，加入适量的聚乙烯醇水溶液(PVA)，研磨造粒，并通过干压成型。最后先将生坯在600℃下排胶2小时，再在1080℃下烧结2小时，即得到所需化学成分比例的陶瓷材料。陶瓷的SEM表面形貌如图1所示，可知陶瓷的致密度较高，孔隙较少，晶粒尺寸多在1-3μm。陶瓷的XRD谱图如图2所示，陶瓷的主要物相结构为钙钛矿相，没有明显的第二相存在。陶瓷在温度区间100-250℃内以及电场90kV/cm的条件下，单极电致应变范围为0.58-0.94％，并在约220℃的条件下，应变达到最大值。相应的，其在温度区间100-250℃内d33*＝Smax/Emax的数值变化范围为644.4-1044.4pm/V。实施例2根据0.925Bi0.5Na0.5TiO3-0.075Bi0.1Na0.7NbO3的化学组成，称量氧化铋、碳酸钠、二氧化钛(金红石相)和氧化铌等原料，通过传统的固相反应法烧结陶瓷。分别按照Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)以及Bi0.1Na0.7NbO3(BNN)的配比，称取上述原料，加入合适含量的酒精，进行行星球磨4小时；随后将浆料烘干，过筛后在850℃条件下预烧2小时；将得到的BNT以及BNN预烧粉按照0.925BNT-0.075BNN的比例再混合球磨4小时，烘干过筛后，加入适量的聚乙烯醇水溶液(PVA)，研磨造粒，并通过干压成型。最后先将生坯在600℃下排胶2小时，再在1080℃下烧结2小时，即得到所需化学成分比例的陶瓷材料。陶瓷的单极电致应变以及d33*＝Smax/Emax的数值随温度变化关系如图3所示，陶瓷在温度区间100-250℃内以及电场110kV/cm的条件下，单极电致应变范围为0.5-1.24％，并在约205℃的条件下，应变达到最大值。相应的，其在温度区间100-250℃内d33*＝Smax/Emax的数值变化范围为454.5-1127.3pm/V。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种巨电致应变多晶陶瓷材料，其特征在于，其以Bi

【技术特征摘要】
1.一种巨电致应变多晶陶瓷材料，其特征在于，其以Bi0.5Na0.5TiO3和Bi0.1Na0.7NbO3为基体，化学组成成分为(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBi0.1Na0.7NbO3，其中x＝0.05-0.2，该陶瓷材料在1kHz频率下室温的介电常数为800-1050，1kHz下最大介电常数εm为900-2350；温度低于350℃时，1kHz下介电损耗不超过5％。


2.根据权利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，所述材料的单极应变在100-250℃高温下达到最大值，其中x＝0.1时组分的最大单极应变数值可达1.6％。


3.权利要求1所述巨电致应变多晶陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分别称取合适比例的原料粉体，包括碳酸钠、氧化铋、二氧化钛、氧化铌；进行球磨；
(2)将混合均匀的Bi0.5Na0.5TiO3以及Bi0.1Na0.7NbO3浆料干燥过筛，并进行预烧；
(3)将预烧后的粉体进行混合，重新球磨；
(4)将步骤(3)所得物干燥,过筛后，加入聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳振星，卞帅帅，骆宇，郭蔚嘉，陈雨谷，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11