本发明专利技术涉及一类具有优异的压电性能和良好温度稳定性能的锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷，其特征在于材料组成为(Ba1-xCax)(Ti0.95Sn0.05)O3，其中x＝0～0.07。该体系陶瓷在x=0.01-0.06组分区间内，压电常数d33均在400pC/N以上、机电耦合系数kp在41%以上，达到传统含铅压电陶瓷的性能。此外，该体系陶瓷的压电常数d33和机电耦合系数kp具有良好的温度稳定性，当x=0.01～0.06时，压电常数d33和机电耦合系数kp在70℃仍可分别达到300pC/N与30%以上。显示出该材料有良好的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无铅压电材料领域，具体涉及一种钛酸钡钙-锡钛酸钡(BCT -BST) 二元系无铅压电陶瓷及其制备工艺及包含该复合物的压电陶瓷器件。
技术介绍
近年来出于对人类健康和自然环境的保护，学者们致力于寻找有毒铅基压电材料的替代产品。任晓兵等发现的经传统固相合成法制备的(Ba，Ca) (Ti，Sn)03体系的压电陶瓷在最优组分处具有异常的性能，压电常数d33=530 pC/N,室温时的相对介电常数er =3800 (Dezhen Xue, Yumei Zhou, Huixin Bao, Jinghui Gao, Chao Zhou et al,Large piezoelectric effect in Pb-free Ba (Ti, Sn) 03~x (Ba, Ca)TiO3 ceramics, App1.Phys.Lett.2011，99:122901 )，该课题组还发现(Ba，Ca) (Ti，Zr) O3体系的压电陶瓷同样具有优异的性能。他们关于钛酸钡基压电材料的研究极大的引起了人们的注意力。研究发现压电陶瓷的压电性能在相转变区得到了增强，在相转变区由于自由能曲面的变平使极化状态不稳定，从而使在外电场或应力下极化改变变得容易，材料的介电和压电性能因此得到增强(Jiirgen.Rodel, Wook Jo, Klaus T.P.Seifert, Eva-Maria Anton, andTorsten Granzow, Dragan Damjanovic, Perspective on the Development of Lead-freePiezoceramics, J.Am.Ceram.Soc, 2008, 92 [6]:1153 - 1177)。但(Ba, Ca) (Ti, Zr)O3体系的相转变不仅由组分改变弓丨起(MPB )，而且温度变化也可以弓丨起相结构变化(PPT )。对于钛酸钡基压电材料性能增强是在居里温度以下的多晶型相转变处(PPT)，比如在5°C对应的正交-四方相转变处。Ca2+，Sn4+离子掺杂可以有效的改变钛酸钡的相转变温度(B.Jaffe, ff.R.Cook, and H.Jaffe.Piezoelectric Ceramics.London: Academic;1971)，可以通过这两种离子的共同掺杂来改变改变钛酸钡的相转变温度以在室温处形成相共存区，增强钛酸钡基陶瓷的压电性能。尽管在PPT处可以获 得较高的压电性能，但是压电性能具有明显的温度依赖性(W.Li, Z.Xu, R.Chu, P.Fu, G.Zang, Temperature Stability inDy-Doped (Ba0.99Ca0.01) (Ti0.98Zr0.02)O3 Lead-Free Ceramics with High PiezoelectricCoefficientJournal of the American Ceramic Society 2011,94:3181-3183.),这是由于在温度-组分相图上PPT相界是明显倾斜的，即温度的变化引起相变，进而使材料的压电性能随温度升高而下降，影响了实际应用。本专利技术通过对钛酸钡基压电陶瓷的研究，不仅得到了拥有较高压电性能的锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷体系，而且其性能在20-70°C内相对稳定，具有广泛的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决无铅压电陶瓷压电性能较差与温度稳定性不好的问题，提供一种BCT - BST 二元陶瓷粉体(锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷粉体)及其陶瓷的制备工艺，所述陶瓷不仅具有较好的压电性能，而且具有优异的温度稳定性。本专利技术得到国家“863”计划(2013AA030501)、山东省自然科学基金(ZR2012EMM004，)、山东省博士基金(N0.BS2010CL010)的资助。本专利技术的方案是:一种BCT - BST 二元无铅压电陶瓷材料(锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷粉体)，组分为(Ba1^xCax) (Tia95Snatl5) O3，其中 z = 0 0.07(优选的 z = 0.01 0.06，更加优选的方案为:x = 0.01,0.02,0.03,0.04, 0.05, 0.06)。所述的锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷粉体的制备工艺，按化学通式BahCarTia95Snatl5O3中元素的化学计量比称取原料:BaC03、CaCO3、SnO2和TiO2 ;将所有原料以去离子水为液体介质球磨10_14h，球磨所得浆料于80°C下保温8 12h烘干粉料后，在 1100 1200。。预烧 4 6h，得至IJ Ba1^CaxTi0.95Sn0.05O3 粉体。前面所述的制备工艺，优选的方案在于:球磨时间为12_14h，优选13h。前面所述的制备工艺，优选的方案在于:预烧温度为1100 1200°C，优选为1150。。。前面所述的制备工艺，优选的方案在于:预烧时间为4.0 6.0h，优选5h。本专利技术根据上述粉体制备相应的压电陶瓷，组分为BahCaxTia95Snatl5O3，其中z =0 0.07。优选的:x = 0.01,0.02,0.03,0.04、0.05 或 0.06。所述的锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷的制备工艺，是以前面所述的锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷粉体，添加5 8造粒，在100 200MPa的压强下压制成型(在100 200MPa的压强下压制成直径12mm，厚度Imm的圆片)；将陶瓷胚体充分排胶后，在空气中于1400 1500°C烧结4 6h，制备出锡钛酸钡钙基陶瓷。优选的方案在于:添加6 造粒，在150MPa的压强 下压制成型；将陶瓷胚体充分排胶后，在空气中于1430°C烧结5h，制备出锡钛酸钡钙基陶瓷。本专利技术采用传统压电陶瓷制备技术和工业原料获得，该体系的主晶相为钙钛矿相，Z=0.01-0.06时，陶瓷都具有良好的压电性能，压电常数J33均大于400pC/N，机电耦合系数矣均大于40%。另外，该体系性能温度稳定性较好，70°C时，其压电常数J33仍在300pC/N以上，机电耦合系数&仍大于30%。该专利技术以简单的操作工艺获得不仅具有较大压电常数，而且温度稳定性较好的锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷体系，非常有希望取代PZT材料，在工业领域有很大的应用潜力。本专利技术提供的是一类具有优异的压电性能和良好温度稳定性能的锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷，其特征在于材料组成为(BahCax) (Tia95Snatl5) O3，其中z = 0 0.07。该体系陶瓷在x=0.01-0.06组分区间内，压电常数J33均在400pC/N以上、机电耦合系数矣在41%以上，达到传统含铅压电陶瓷的性能。此外，该体系陶瓷的压电常数<3和机电耦合系数kv具有良好的温度稳定性，当x=0.01 0.06时，压电常数J33和机电耦合系数矣在70°C仍可分别达到300pC/N与30%以上。显示出该材料有较好的应用前景。附图说明图1是实施例一至实施例八样品的XRD图谱，其中^r=O为实施例一中样品的XRD图谱^=0.01为实施例二中样品的XRD图谱^=0.02为实施例三中样品的XRD图谱；x=0.03表示实施例四中样品的XRD图谱0=0.04为实施本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷粉体，其特征在于：组分为Ba1?xCaxTi0.95Sn0.05O3，其中x＝0～0.07。
【技术特征摘要】
1.一种锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷粉体，其特征在于:组分为BahCaxTia95SnaC15O3，其中 Z = 0 0.07。2.根据权利要求1所述的锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷粉体，其特征在于=0,0.01、0.02,0.03,0.04,0.05,0.06 或 0.07。3.根据权利要求1或2所述的锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷粉体的制备工艺，其特征在于:按化学通式BahCarTia95Snatl5O3中元素的化学计量比称取原料:BaC03、CaCO3、SnO2和TiO2 ;将所有原料以去离子水为介质球磨10-14h，球磨所得浆料于80°C下保温8 12h烘干粉料后，在1100 1200°C预烧4 6h，得到BahCaxTia95Snatl5O3粉体。4.根据权利要求3所述的制备工艺，其特征在于:球磨时间为12-14h，优选13h。5.根据权利要求3所述的锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷粉体的制备工艺，其特征在于:预烧温度为1100 12...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐志军，陈明丽，初瑞清，李艳，姬万滨，马帅，
申请(专利权)人：聊城大学，
类型：发明
国别省市：
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