一种调控铁酸铋-钛酸钡基压电陶瓷材料电阻率和极化强度的方法技术

本发明专利技术涉及一种调控铁酸铋

【技术实现步骤摘要】
一种调控铁酸铋
‑
钛酸钡基压电陶瓷材料电阻率和极化强度的方法


[0001]本专利技术涉及一种调控压电陶瓷电阻率和极化强度的方法，尤其涉及一种高电阻率和高极化强度的铁酸铋
‑
钛酸钡无铅压电陶瓷材料，属于无铅功能陶瓷领域。

技术介绍

[0002]铁酸铋(BiFeO3)高温压电陶瓷由于高居里温度(825℃)和较高的压电性能广泛受到研究人员的关注，尤其在加入BaTiO3之后形成的BiFeO3‑
BaTiO3固溶体，压电系数可以高达100pC/N以上，居里温度450℃以上。但在作为高温器件应用时，如何降低材料的漏导，提高高温电阻率仍然是研究人员需要解决的关键难题。

技术实现思路

[0003]为了调控铁酸铋
‑
钛酸钡无铅压电陶瓷材料的电阻率和压电性能，本专利技术提供了一种调整A位Ba元素非化学计量比改变材料电阻率和极化强度的方法，提供了一种高电阻率、高极化强度的铁酸铋
‑
钛酸钡无铅压电陶瓷材料及其制备方法，该材料及其方法所得到的效果提高了所述压电陶瓷的电阻率、电致应变值和极化强度，以满足高温压电陶瓷器件应用的要求。
[0004]第一方面，本专利技术提供了一种调控铁酸铋
‑
钛酸钡基压电陶瓷材料电阻率和极化强度的方法，通过控制铁酸铋
‑
钛酸钡基压电陶瓷材料化学计量比(1
‑
y)BiFeO3‑
yBa
(1
‑
x
)TiO3中x 在/>‑
0.03～0.03之间变化，从而实现铁酸铋
‑
钛酸钡基压电陶瓷材料电阻率和极化强度的的调控；其中，y＝0.1～0.35。
[0005]在前期研究过程中，本专利技术人首先想到可以通过调控配方的非化学计量比来调控陶瓷材料的电阻率。电介质材料的电导主要指电子、空穴、离子等载流子缺陷在高温迁移，而非化学计量比变化必然引起氧空位、金属阳离子价态甚至相结构的变化，体系为了维持电中性，将对载流子缺陷做出调整，进而影响到材料的电导机制。
[0006]进一步地，本专利技术人考虑到，除了对材料电导行为的影响外，非化学计量比的调控将改变材料局部极化场及导致晶格畸变，改变朗道自由能对称性，提高电致应变值。因此，对BiFeO3‑
BaTiO3进行非化学计量比调控是有必要的。同时，考虑到A位的Bi和Ba两个离子中，Bi离子由于具有6s2孤对电子，对材料总极化的贡献大于80μC/cm2，因此选择Ba 离子作为调控对象。这种A位非化学计量比的调控是改善BiFeO3‑
BaTiO3陶瓷材料电导行为和电学性能的重要途径。
[0007]具体地，本专利技术人创造性地选用铁酸铋
‑
钛酸钡(1
‑
y)BiFeO3‑
yBa
(1
‑
x
)TiO3作为基体。在此基础上，按上述方法调整配方中Ba的非化学计量比。Ba缺量将诱导Bi离子取代 Ba空位，近似一种施主掺杂。本专利技术人通过研究表明，铁酸铋
‑
钛酸钡材料在空气气氛烧结后表现为p型空穴占主导的导电机制，上述的近似施主掺杂的行为将产生电子中和p型导电，进而降低电导率。Ba过量将取代Bi离子，近似受主掺杂，产生氧空位，可能加剧p型电导机
制，进而提高电导率。再结合空气淬冷处理后，可使得所述无铅压电陶瓷束缚缺陷释放，获得更高的应变和极化强度。
[0008]较佳的，包括：(1)以Fe2O3、Bi2O3、BaCO3、TiO2粉体为原料，按照化学计量比0.7BiFeO3‑
0.3Ba(1
‑ꢀ
x)TiO3配制并混合，得到原料粉体；(2)将所得原料粉体进行合成和细磨得到陶瓷粉体；(3)将所得陶瓷粉体经过造粒、制坯、排塑和烧结，从而实现铁酸铋
‑
钛酸钡基压电陶瓷材料电阻率和极化强度的的调控。
[0009]较佳的，所述混合和细磨的方式均为湿法球磨；所述湿法球磨包括：原料：球磨介质：去离子水的质量比＝1：(1.6～2.4)：(0.8～1.2)；行星球磨转速为300～400转/分钟，混合时间为2～6小时；优选地，所述球磨介质为玛瑙球；
[0010]较佳的，所述合成的温度为700～850℃，保温时间为4～6小时；优选地，所述合成的升温速率为4～6℃/分钟。
[0011]较佳的，在造粒过程中，加入陶瓷粉体质量5％～10％的粘结剂进行造粒；优选地，所述粘结剂为4～8wt.％聚乙烯醇溶液。
[0012]较佳的，所述排塑的温度为600～800℃，保温3小时以下；优选地，所述排塑的升温速率≤2℃/分钟。
[0013]较佳的，所述烧结的温度为980～1030℃；所述烧结的时间为2～5小时。
[0014]较佳的，将所得无铅压电陶瓷材料进行空气退火和淬冷处理；所述空气退火的温度为600～900℃，时间为5～15小时；所述淬冷处理的方式为退火结束直接从炉内取出。
[0015]另一方面，本专利技术提供了一种铁酸铋
‑
钛酸钡基压电陶瓷材料，所述铁酸铋
‑
钛酸钡基压电陶瓷材料的化学计量比(1
‑
y)BiFeO3‑
yBa
(1
‑
x
)TiO3，其中x＝
‑
0.03～0.03，y＝0.1～ 0.35；优选x不为0。
[0016]较佳的，所述铁酸铋
‑
钛酸钡基压电陶瓷材料在300℃下的电阻率≥800Ω
·
cm，优选为2.3
×
106～3.2
×
106Ω
·
cm；所述铁酸铋
‑
钛酸钡基压电陶瓷材料的极化强度≥20μC/cm2，优选为37～41μC/cm2；优选地，当
‑
0.03≤x＜0时，所述铁酸铋
‑
钛酸钡基压电陶瓷材料的电阻率为800～1.1
×
106Ω
·
cm，极化强度为20～33μC/cm2；优选地，当0＜x≤0.03时，所述铁酸铋
‑
钛酸钡基压电陶瓷材料，所述铁酸铋
‑
钛酸钡基压电陶瓷材料的电阻率为1.1
×
106～3.2
×
106Ω
·
cm，极化强度为33～41μC/cm2。
[0017]有益效果：在本专利技术通过传统固相反应法制备陶瓷材料，工艺简单、参数易控、成本低廉，易于工业生产。所述压电陶瓷材料具有高居里温度、高电阻率、大应变和高极化强度的特点，适合做高温驱动器材料，以满足高温压电陶瓷器件应用的要求。
附图说明
[0018]图1为对比例1所制备无铅压电陶瓷的电滞回线和应变；图2为实施例1所制备无铅压电陶瓷的电滞回线和应变；图3为实施例2所制备无铅压电陶瓷的电滞回线和应变；
图4为实施例3所制备无铅压电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种调控铁酸铋
‑
钛酸钡基压电陶瓷材料电阻率和极化强度的方法，其特征在于，通过控制控铁酸铋
‑
钛酸钡基压电陶瓷材料化学计量比（1
‑
y）BiFeO3‑
yBa
(1
‑
x
)TiO3中x在
‑
0.03～0.03之间变化，从而实现铁酸铋
‑
钛酸钡基压电陶瓷材料电阻率和极化强度的的调控；其中，y=0.1～0.35。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：（1）以Fe2O3、Bi2O3、BaCO3、TiO2粉体为原料，按照化学计量比0.7BiFeO3‑
0.3Ba(1
‑
x)TiO3配制并混合，得到原料粉体；（2）将所得原料粉体进行合成和细磨得到陶瓷粉体；（3）将所得陶瓷粉体经过造粒、制坯、排塑和烧结，从而实现铁酸铋
‑
钛酸钡基压电陶瓷材料电阻率和极化强度的的调控。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述混合和细磨的方式均为湿法球磨；所述湿法球磨包括：原料：球磨介质：去离子水的质量比＝1：（1.6～2.4）：（0.8～1.2）；行星球磨转速为300～400转/分钟，混合时间为2～6小时；优选地，所述球磨介质为玛瑙球。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述合成的温度为700～850℃，保温时间为4～6小时；优选地，所述合成的升温速率为4～6℃/分钟。5.根据权利要求2
‑
4中任一项所述的方法，其特征在于，在造粒过程中，加入陶瓷粉体质量5%～10%的粘结剂进行造粒；优选地，所述粘结剂为4～8wt.%聚乙烯醇溶液。6.根据权利要求2
‑
5中任一项所述的方法，其特征在于，所述排塑的温度为600～800℃，保温3小时以下；优选地，所述排塑的升温速率≤2℃/分钟。7.根据权利要求2
‑
6中任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：董显林，康文烁，梁瑞虹，
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：