一种高居里温度铁酸铋基无铅压电陶瓷及其制备方法技术

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无铅压电陶瓷材料，具体是一种A、B位复合取代改性的ABO3钙钛矿结构的高居里温度铁酸铋基无铅压电陶瓷及其制备方法。
技术介绍
高温压电陶瓷被广泛应用于航空航天、核能、冶金、石油化工、地质勘探等许多特殊领域，比如在汽车中工作的动态燃料注射喷嘴工作温度高达300°C，油井下使用的声波测井换能器工作温度也达到20(T 300°C，作为高温压电陶瓷材料，必须具备在较高温度下(> 4000C )不出现结构相变以保证不发生高温退极化现象而劣化压电器件的温度稳定性。但是，目前商业化应用的高居里温度压电陶瓷仍以钙钛矿结构的锆钛酸铅I3M Zr, Ti)O3 (缩写为PZT)体系为主，这类材料的居里温度约为400多度，由于热激活老化过程，其安全使用温度被限制在居里温度的1 /2处，仅适于常规条件下使用。并且这些材料中氧化铅含量占到70%左右，在制备、使用和废弃后处理过程中都会给人类环境带来严重危害。因此， 从环保和高温使用的条件来说，研究和开发性能优良的高居里温度无铅压电陶瓷材料是一项有重大社会和经济意义的课题。目前研究的替代铅基高居里温度的无铅压电陶瓷体系中，钙钛矿结构的 (Nal72Bil72) TiO3- (Kl72Bil72) TiO3 (简称NBT-BKT)是一种很有希望的无铅压电材料，其居里温度为320°C左右。另一个钙钛矿结构无铅压电陶瓷以Ka5Naa5NbO3(简称KNN)为主，纯KNN 的居里温度可达400°C以上，但该体系存在烧结时易挥发和很难致密的困难。为了提高压电性能和致密性，通过加入LiSbO3等，同时通过添加Bii^eO3等低温烧结助剂，可以提高烧结性能和压电性能，使d33达到300pC/N左右，但LiSbO3的加入，使居里点又降到了 370°C左右， 也有利用模板晶粒生长技术制备的KNN陶瓷，d33可达400pC/N以上，但该技术的生产工艺复杂，成本非常高，不适合工业化生产。近两年来对BiAlO3体系的高温无铅压电陶瓷也有很多研究，但依然存在制备困难，压电性能较低的问题。其他无铅高居里温度体系还包括乌青铜结构无铅压电陶瓷和铋层状结构无铅压电陶瓷等等，但这些体系都存在压电常数很低的问题，无法满足实际使用的需求。由krhiy等人在2009年报导了 Bii^eO3 - BaTiO3基钙钛矿铁电体，通过在纯氧中烧结，制备的无铅压电陶瓷，其居里温度高达600°C，被认为是一种很有希望的高居里温度无铅压电材料。但其压电常数d33最高只有116pC/N，且其必须在纯氧气中烧结，制备工艺较复杂，其性能距离实际应用还有很大差距，因此研究新的BWeO3基无铅压电陶瓷具有重要意义。从材料研究的角度看，可以通过A与B位取代调节性能，因此在性能较好的 BiFeO3 - BaTiO3所构成的ABO3型钙钛矿结构中，通过在A、B位复合取代改性与非化学计量比来提高压电性能并改进制备工艺是一种有效途径。但是，目前在Bii^eO3 - BaTiO3 _ BiMnO3中通过在A、B位复合取代改性与非化学计量比来提高压电性能并改进制备工艺的无铅压电陶瓷及其制备方法还未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种居里温度高(Tc彡490°C)，易于极化，致密度高、压电性能好的新型铁酸铋基无铅压电陶瓷及其制备方法。本专利技术的目的技术方案是在Bii^eO3 - BaTiO3 _ BiMnO3构成的无铅压电陶瓷中通过在A、B位复合取代改性与非化学计量比来提高压电性能并改善制备工艺，可以用通式 (1-x-j^) (BizM1Jt(FeuM' ^u)O3-XBaTiO3 -JBiMnO3 来表示。式中 M 为三价金属元素(大离子半径)，选自 Nd、Ce、La、Pr、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Y、Er 与 Tm 的一种或两种及以上。M'为三价金属元素(小离子半径)，选自Ga、Sc、Cr、Mo、Al、Mn、Co、Rh、Ni、Cu、In、 Yb与Sb的一种或两种及以上。x、_F、u、t、z表示陶瓷体系中摩尔含量，其中^ 1.0, 0彡7彡0. 1，0< ζ <1,0. 85< t <1.2，0< u <1,x+f <1。配方中至少含两种或两种以上取代元素。所述的无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于包括如下步骤(1)将原料按照化学式(l-x-7)(BizMh) t (FeuM' ^u) O3 _ XBaTiO3 -J^BiMnO3 进行配料， 以无水乙醇为介质高能球磨8-10小时，干燥后在氧化铝坩埚(加盖)中以850-900° C焙烧1-6小时；焙烧后以无水乙醇为介质高能球磨12-M时，干燥后获得粉末；(2)将步骤(1)获得的粉末烘干，加入5%(重量百分比)浓度的PVA溶液造粒，在IOOMPa 压力下压制成型；(3)将成型后的素坯在空气中烧结，200°C/h的速率升温至800°C保温1-6小时，再以 100-3000C /h的速率升温到950-1000°C保温2_8小时；烧结后以10-120 V /h的冷却速率至900 °C保温2-8小时，再随炉冷却至600°C保温2_8小时，随后随炉冷却至室温；(4)烧结后的样品加工成两面光滑、厚度约Imm的薄片，披银电极，然后在硅油中极化， 极化电场3000-8000V/mm，温度30-60° C,时间5-30分钟。与已有技术相比，本专利技术的特色体现在1.本专利技术的陶瓷组成是一种环境友好型压电陶瓷，能实现对部分现有的铅基压电陶瓷的替代，其居里点可达490°C以上。2.与原有技术相比，本专利技术采用空气中烧结，可以简化烧结工艺，降低生产成本。3.与原有配方相比，本方法制备的无铅压电陶瓷具有更好的性能，该体系的压电常数d33可以达到140pC/N以上，平面机电耦合系数kp可达0. 30、Kt可达0. 50以上。4、本专利技术可采用传统压电陶瓷制备技术，原料从工业用原料中获得，制备工艺简单、稳定，不需添加特殊设备，即可在工厂中直接生产，具有实用性。具体实施例方式实施例1 制备成分为(I-U) (BizMh)t (FeuM ‘ ^u) O3-XBaTiO3 -,BiMnO3,其中 x=0. 33， f=0. 008，z=0. 004，u=0. 004，M=70%La+30%Nd, M' =50%Al+50%Yb, t=l. 08 的高居里温度铁酸铋基无铅压电陶瓷。制备方法以分析纯 Bi203、Fi5203、BaC03、Ti02、Mn02、Nd203、Yl3203、L￡i203 和 Al2O3 为原料，分别按照以下化学式(1-x-r) (BizM1Jt (FeuM' ^u) O3-XBaTiO3 -J-BiMnO3，其中 x=0. 33，_f=0. 008，z=0. 004，u=0. 004，M=70%La+30%Nd, M' =50%Al+50%Yb, t=l. 08进行配料，无水乙醇为介质湿磨，80°C烘干后在850-900° C保温3-6小时预合成瓷料； 合成的瓷料以无水乙醇为介质二次湿磨M小时，烘干后过250目筛，然后加5%浓度的PVA 溶液作为粘结剂，在IOOMPa压力下压制成直径18 mm，厚度1. Γ . 2mm的圆片，以200°C /本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种高居里温度铁酸铋基无铅压电陶瓷，其特征是：组成通式为：（１－ｘ－ｙ）（ＢｉｚＭ１－ｚ）ｔ（ＦｅｕＭ′１－ｕ）Ｏ３–ｘＢａＴｉＯ３–ｙＢｉＭｎＯ３，式中Ｍ为大离子半径的三价金属元素，Ｍ′为小离子半径的三价金属元素，ｘ、ｙ、ｕ、ｔ、ｚ表示陶瓷体系中摩尔含量，其中０≤ｘ≤１．０，０≤ｙ≤０．１，０（ｚ（１，０．８５（ｔ（１．２，０（ｕ（１，ｘ＋ｙ（１，经常规陶瓷制备方法制备而成。

【技术特征摘要】
1.一种高居里温度铁酸铋基无铅压电陶瓷，其特征是组成通式为(l-x-y) (BizMl-z) t (FeuM' l_u) O3 _ XBaTiO3 _ yBIMnO3,式中M为大离子半径的三价金属元素，M' 为小离子半径的三价金属元素，X、y、u、t、ζ表示陶瓷体系中摩尔含量，其中0 < χ < 1. 0， 0彡y彡0. 1，0<ζ<1，0· 85<t<l. 2，0<u<l，x+y<l，经常规陶瓷制备方法制备而成。2.如权利要求1所述的无铅压电陶瓷，其特征是所述的三价元素M为La、Nd、Ce、 Y、Pr、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er 与 Tm 的一种或...

【专利技术属性】
技术研发人员：周昌荣，岑侦勇，周沁，杨华斌，成钧，袁昌来，陈国华，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：45