一种钛酸钡基无铅电致伸缩陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钛酸钡基无铅电致伸缩陶瓷，其原料组分及其摩尔百分比含量为50Ba(ZrxTi1-x)O3-50(Ba0.75Ca0.25)TiO3(BCZT)，其中x=0.25~0.40。本发明专利技术采用传统的固相合成制备方法，得到了一种明显弛豫特征和较大电致伸缩系数的无铅电致伸缩陶瓷。本发明专利技术的成分及工艺步骤简单、易于操作、重复性好、成品率高。本发明专利技术主要应用于换能器和微位移器等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于以成分为特征的陶瓷组合物，尤其涉及无铅电致伸缩陶瓷。
技术介绍
在外电场作用下电介质所产生的与场强二次方成正比的应变，称为电致伸缩。这种效应是由电场中电介质的极化所引起，并可以发生在所有的电介质中，其特征是应变的正负与外电场方向无关。在压电体中，外电场还可以引起另一种类型的应变，其大小与场强成比例，当外场反向时应变正负亦反号。后者是压电效应的逆效应，不是电致伸缩。外电场所引起的压电体的总应变为逆压电效应与电致伸缩效应之和。对于非压电体，外电场只引起电致伸缩应变。一般地，电致伸缩所引起的应变比压电体的逆压电效应小几个数量级。要在普通电介质中获得相当于压电体所能得到的大小的应变，外电场需高达108V/m。但在某些介电常数很高的电介质中，即使外电场低于106V/m，亦可获得与强压电体相近的机电耦 合作用而提供技术应用。电致伸缩的另一个特点是在应用中其重现性较好。在外加强直流偏置电场作用下，对于叠加的交变电场，电致伸缩材料的机电耦合效应的滞后及老化现象比之常用的铁电性压电陶瓷要小得多。这个优点使得电致伸缩效应常用于压力测量、连续可调激光器、双稳态光电器件等方面。目前大多数的电致伸缩材料是含铅的弛豫铁电体复合钙钛矿型结构的材料，如铌镁酸铅、铌锌酸铅等。而弛豫铁电陶瓷具有很高的介电常数、大的电致伸缩效应、相对低的烧结温度和由弥散相变(Diffuse Phase Transition简称DPT)引起较低容温变化率，它是制作微位移器的优秀材料。由于铅具有毒性，对环境和人体具有危害，所以现在国际上限制铅的使用。但是由于电致伸缩材料在现代高科技领域已成为不可或缺的材料，所以我们必须寻找其替代品，这样无铅电致伸缩材料越来越受到人们的重视。随着现代电子信息技术的飞速发展，对于性能优异电介质材料的开发和探索已成为各国研究的热点问题，目前，在性能改进方面主要采用2种方法一种是掺杂改性，即掺杂某种改性离子；另一种是改进制备工艺。所以本专利技术从以上问题出发，以BaTiO3(BT)为基体，通过掺杂和改变制备工艺来获得大电致伸缩材料。BaTiO3基介质材料因其具有高的介电常数、电场可调性和居里温度可调性且不含铅、对环境无害而被广泛应用于各种电介质材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是，在现有技术的基础上提供一种性能更好的无铅电致伸缩陶瓷，使其符合无铅、大应变(大电致伸缩系数Q)的发展方向。本专利技术通过以下技术方案予以实现一种钛酸钡基无铅电致伸缩陶瓷，其原料组分及其摩尔百分比含量为50Ba (ZrxTUO3-SO (Ba。. 75Caa25) TiO3,其中 x=0. 25 O. 40。所述原料为BaCO3, CaCO3, ZrO2 和 Ti02。所述无铅电致伸缩陶瓷是单一钙钛矿结构。一种钛酸钡基无铅电致伸缩陶瓷的制备方法，具有如下步骤⑴配料合成按SOBa(ZrxIVx)O3-SO(Baa75Caa25)TiO3 的化学计量比称取原料，式中 O. 25 O. 40 ；将原料BaCO3, CaCO3, ZrO2和TiO2进行混合，装入球磨罐中，球磨介质为水和玛瑙球，球料水的重量比为2 I O. 6，球磨4h，然后将混合料放入烘箱内于80°C烘干，再放入研钵内研磨，过80目筛；⑵预烧将研磨、过筛后的粉料放入坩埚内，用玛瑙棒压实，加盖，密封，在马弗炉中于1150°C预烧，保温3h，自然冷却到室温，出炉； ⑶二次球磨将步骤(2)中烘干的粉料在研钵中研磨，过80目筛，装入球磨罐，球料水的重量比为2 I 0.6，球磨处，将粉料放入烘箱801烘干；⑷造粒将步骤(3)烘干的粉料在研钵中研细，过筛，加入重量浓度为5% 10%的聚乙烯醇，充分搅拌，过筛；将粉料放入直径为35 mm的不锈钢模具内，在120Mpa压力下压成圆柱状坯件，然后将坯件静置24h ；(5)成型将步骤⑷静置24h后的坯件在研钵中研细，过筛；将粉料放入直径为15 mm的不锈钢模具内在230Mpa压力下压制成圆柱状坯件；(6)排胶将步骤(5)的坯件放入马弗炉中，升温至400°C，保温lh，进行有机物排除；(7)烧结将步骤(6)排胶后的坯件放在氧化铝基板上，装炉，然后以6°C /分钟的升温速度升温至1450°C，保温2h，随炉自然冷却至室温；(8)烧电极将步骤(7)烧结好的陶瓷片打磨至O. 6 mm厚，自然晾干，在其上下表面涂覆银浆，置于炉中烧至735°C，保温lOmin，自然冷却至室温，制得钛酸钡基无铅电致伸缩陶瓷；(9)测试介电性能和电致伸缩性能。所述步骤⑴、步骤(3)的球磨转速为750转/分。本专利技术的有益效果是，提供了一种具有较大的电致伸缩系数、综合性能良好的钛酸钡基(BT)无铅电致伸缩陶瓷。本专利技术采用传统的固相合成的方法，以钛酸钡(BT)为基体，以Zr，Ca为掺杂剂得到了锆钛酸钡钙(BCZT)，得到了一种明显弛豫特征和较大电致伸缩系数的无铅电致伸缩陶瓷。本专利技术的成分及工艺步骤简单、易于操作、重复性好、成品率闻。附图说明图I是本专利技术实施例1、2、3、4的X射线图谱；图2是本专利技术实施例1、2、3、4的扫描电子显微镜SEM图片；图3是本专利技术实施例I、2、3、4的BCZT体系的介电温谱图；图4是本专利技术实施例1、2、3、4的BCZT体系的应变S33与极化强度平方(P2)曲线图谱。具体实施例方式本专利技术采用市售的化学纯原料(纯度彡99%)，为BaCO3, CaCO3, ZrO2和Ti02。本专利技术采用传统的固相合成的方法，具体制备步骤为(I)配料合成 按SOBa(ZrxTih)O3-SO(Baa75Caa25)TiO3 的化学计量比(式中 O. 25 O. 40)称取原料BaCO3, CaCO3, ZrO2和TiO2，进行混合，装入球磨罐中，球磨介质为水和玛瑙球，球料水的重量比为2 I O. 6，球磨4h，球磨转速为750转/分，然后将混合料放入烘箱内80°C烘干，再放入研钵内研磨，过80目筛；(2)预烧将研磨过筛后的粉料放入坩埚内，用玛瑙棒压实，加盖，密封，在马弗炉中于1150°C预烧，保温3h，自然冷却到室温，出炉；(3) 二次球磨将步骤(2)中烘干的粉料在研钵中研磨，过80目筛，装入球磨罐，球料水的重量比为2 I O. 6，球磨4h，球磨转速为750转/分，将粉料放入烘箱80°C烘干；(4)造粒将步骤(3)烘干的粉料在研钵中研细，过筛，加入重量浓度为5% 10%的聚乙烯醇，充分搅拌，过筛；将粉料放入直径为35 mm的不锈钢模具内，在120Mpa压力下压成圆柱状坯件，然后将坯件静置24h ；(5)成型将步骤⑷静置24h后的坯件在研钵中研细，过筛；将粉料放入直径为15 mm的不锈钢模具内在230Mpa压力下压制成圆柱状坯件；(6)排胶将坯件放入马弗炉中，升温至400°C，保温Ih进行有机物排除；(7)烧结将步骤(6)排胶后的坯件放在氧化铝基板上，装炉，然后以6°C /分钟的升温速度升温至1450°C，保温2h，随炉自然冷却至室温；(8)烧电极将步骤(7)烧结好的陶瓷片打磨至O. 6 mm厚，自然晾干，在其上下表面涂覆银浆，置于炉中烧至735°C，保温lOmin，自然冷却至室温，制得钛酸钡基无铅电致伸缩陶瓷；(9)测试介电性能和电致伸缩性能。具体实施例详见表I。表I权利本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛酸钡基无铅电致伸缩陶瓷，其原料组分及其摩尔百分比含量为50Ba(ZrxTi1？x)O3？50(Ba0.75Ca0.25)TiO3，其中x=0.25~0.40。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马卫兵，肖飞，孙清池，唐翠翠，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：