一种兼具低电导和大应变的无铅压电陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种兼具低电导和大应变的无铅压电陶瓷材料及其制备方法，所述无铅压电陶瓷材料的化学式为(Bi

【技术实现步骤摘要】
一种兼具低电导和大应变的无铅压电陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及一种低电导且大应变的无铅压电陶瓷材料及其制备方法，具体涉及一种低电导大应变的钨掺杂铁酸铋钛酸钡陶瓷材料及其制备方法，属于驱动器陶瓷材料领域。
技术介绍
压电陶瓷材料具有优异的机电耦合性能，在电场加载下，能够产生相应的机械应变，作为压电驱动器元件被广泛应用于机器人、精密机械和航空航天等领域。在这些应用中，需要压电陶瓷在电场作用下能产生大的应变输出，从而提高器件的驱动位移量。目前，广泛研究的大应变压电陶瓷主要包括：锆钛酸铅(PZT)体系、钛酸铋钠(BNT)体系和铁酸铋(BFO)体系。然而，传统锆钛酸铅陶瓷中含有大量的铅元素，在生产和使用中会对环境和人体产生伤害。钛酸铋钠体系陶瓷的性能温度稳定性较差，100℃下性能只有室温性能的50％左右。与其他体系相比，铁酸铋基压电陶瓷具有居里温度高(Tc＞400℃)和不含有毒物质铅等优点，是一种非常有前景的大应变高温压电陶瓷体系。在高温下应用时另一个重要的性能是压电陶瓷的电导值，电导过高会导致陶瓷击穿失效。为了降低铁酸铋陶瓷电导，常对其进行体系固溶和掺杂改性。其中铁酸铋-钛酸钡(BiFeO3-BaTiO3)固溶体具有较高的综合性能，得到了广泛的关注。但是进一步利用高价离子掺杂降低电导时，铁酸铋-钛酸钡陶瓷的铁电性会消失，进而电致应变值也大大降低。因此，如何制备兼具低电导与大应变的无铅压电陶瓷是亟待解决的关键问题。
技术实现思路
为了在无铅压电陶瓷材料中同时获得低电导和大应变值，本专利技术的目的在于提供了一种低电导大应变的钨掺杂铁酸铋钛酸钡陶瓷材料及其制备方法，该材料及其方法所得的效果使压电陶瓷材料兼具有低电导和大应变值，以满足高温压电驱动器用压电陶瓷材料的要求。一方面，本专利技术提供了一种无铅压电陶瓷材料，所述无铅压电陶瓷材料的化学式为(Bi0.67Ba0.33)(Fe0.67-xWxTi0.33)O3+3x；其中，x＝0.005～0.03。在本公开中，选用相界组分铁酸铋钛酸钡(Bi0.67Ba0.33)(Fe0.67Ti0.33)O3作为基体，本专利技术人通过研究表明，该基体组分具有较高的居里温度(TC＞400℃)和较高应变值(0.17％)，为改性提供了良好的基础。在此基础上，本专利技术人进一步选用高价钨(W)掺杂作为改性剂，取代基体组分中的部分铁(Fe)元素，利用高价离子取代降低基体组分中导电空穴含量，从而降低体系电导。目前掺杂处理的铁酸铋钛酸钡陶瓷难以在获得大应变的同时具有较低的电导性能。与现有掺杂结果相比，由于W离子半径与Fe及Ti离子半径相近，6配位的W离子半径为Fe离子半径为Ti离子半径为结构相容性好，结合空气淬冷处理后，能在W掺杂的铁酸铋钛酸钡陶瓷中获得兼具低电导和大应变效应。较佳的，x＝0.01～0.02。较佳的，所述无铅压电陶瓷材料在300℃下的电导率＜3×10-6Scm-1，优选为＜2×10-6Scm-1。较佳的，所述无铅压电陶瓷材料的应变至少为0.16％，优选为0.20～0.25％。另一方面，本专利技术还提供了一种上述无铅压电陶瓷材料的制备方法，包括：(1)将Bi源、Ba源、Fe源、Ti源和W源按照所述无铅压电陶瓷材料的化学计量比进行配料并混合，得到混合粉料；(2)将所得混合粉料在750～900℃下煅烧2～6小时，得到合成粉体；(3)在所得合成粉体中加入粘结剂并造粒，再经压制成型，得到生坯；(4)将所得生坯经排塑后在950～1100℃下烧结2～6小时，得到所述无铅压电陶瓷材料。较佳的，所述Bi源为Bi2O3；所述Ba源为BaO、或BaCO3；所述Fe源为Fe2O3；所述Ti源为TiO2；所述W源为WO3。较佳的，所述粘结剂为聚乙烯醇PVA、聚乙烯缩丁醛PVB中的至少一种；所述粘结剂的加入量为合成粉体质量的3％～10％。较佳的，所述压制成型的压力为150～200MPa。较佳的，所述排塑的温度为600～800℃，时间为2～6小时。较佳的，所述烧结的升温速率为1.5～10℃/分钟，优选为5℃/分钟。较佳的，将所得无铅压电陶瓷材料进行空气淬冷处理，目的在于改善施主掺杂引起的低铁电性和低应变特性，研究表明淬冷处理有助于提升铁酸铋-钛酸钡基陶瓷中铁电相含量，促进铁电畴翻转，因此利用淬冷处理和施主掺杂相结合，在陶瓷中获得兼具低电导和大应变的效果；所述空气淬冷处理为在800～1100℃保温5分钟～5小时后立即取出，并放置在空气中直接冷却至室温。有益效果：在本公开中，采用传统固相法制备得到电导率在300℃下低于3×10-6Scm-1，同时具有大应变特性的无铅压电压电陶瓷材料(钨掺杂铁酸铋钛酸钡陶瓷)。本专利技术所述压电陶瓷材料兼具低电导和大应变特性，适合作为高温驱动器材料。附图说明图1为实施例2制备的淬冷和未淬冷(Bi0.67Ba0.33)(Fe0.66W0.01Ti0.33)O3压电陶瓷材料的电滞回线；图2为实施例2制备的淬冷和未淬冷(Bi0.67Ba0.33)(Fe0.66W0.01Ti0.33)O3压电陶瓷材料的单极应变曲线；图3为实施例1-4制备的淬冷无铅压电陶瓷材料和对比例1制备的未掺杂未淬冷(Bi0.67Ba0.33)(Fe0.66Ti0.33)O3压电陶瓷材料的电导-温度图；图4为实施例1-4和对比例1制备的淬冷无铅压电陶瓷材料和未淬冷无铅压电陶瓷材料的应变-组分图。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。在本公开中，低电导、大应变无铅压电陶瓷材料的化学组成为(Bi0.67Ba0.33)(Fe0.67-xWxTi0.33)O3+3x。其中，x＝0.005～0.04，优选为0.005～0.01。若x的数值较低，将导致压电陶瓷电导较低。若是x含量过高，则压电陶瓷应变降低。在可选的实施方式中，所述无铅压电陶瓷材料的应变至少为0.16％，优选为0.20～0.25％。无铅压电陶瓷材料在300℃下电导低于2×10-6Scm-1。在本专利技术一实施方式中，采用传统固相法制备得到具有低电导且大应变的无铅压电陶瓷材料，其制备方法简单，可实现大规模制备，易于推广，具有广阔的前景。以下示例性地说明本专利技术提供的无铅压电陶瓷材料得制备过程。将Bi源、Ba源、Fe源、Ti源和W源按无铅压电陶瓷材料化学式进行配料并混合均匀，得到混合粉料(或称原料粉体)。其中混合的方式可为球磨，记为一次球磨。优选，球磨完成后可进行烘干后所得混合粉料。Bi源可为Bi2O3。Ba源可为BaO或BaCO3。Fe源可为Fe2O3。Ti源可为TiO2。W源可为WO3。将混合粉料在750～900℃下煅烧2～6小时，随炉冷却至室温，得到合成粉体，使合成粉体的成分达到化学式要求。优选地，在煅烧之前可将混合粉料进一步压制成型，且在煅烧结束之后进行二次球磨、烘干，得到该合成粉体。将合成粉体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无铅压电陶瓷材料，其特征在于，所述无铅压电陶瓷材料的化学式为(Bi

【技术特征摘要】
1.一种无铅压电陶瓷材料，其特征在于，所述无铅压电陶瓷材料的化学式为(Bi0.67Ba0.33)(Fe0.67-xWxTi0.33)O3+3x；其中，x=0.005～0.03。


2.根据权利要求1所述的无铅压电陶瓷材料，其特征在于，x=0.01～0.02。


3.根据权利要求1或2所述的无铅压电陶瓷材料，其特征在于，所述无铅压电陶瓷材料在300℃下的电导率＜3×10-6Scm-1，优选为＜2×10-6Scm-1；所述无铅压电陶瓷材料的应变至少为0.16%，优选为0.20～0.25%。


4.一种如权利要求1-3中所述的无铅压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括：
（1）将Bi源、Ba源、Fe源、Ti源和W源按照所述无铅压电陶瓷材料的化学计量比进行配料并混合，得到混合粉料；
（2）将所得混合粉料在750～900℃下煅烧2～6小时，得到合成粉体；
（3）在所得合成粉体中加入粘结剂并造粒，再经压制成型，得到生坯；
（4）将所得生坯经排塑后在950～1100℃下烧结2～6小时，得到所述无铅压电陶瓷材料。...

【专利技术属性】
技术研发人员：董显林，王磊，梁瑞虹，周志勇，
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