一种铁酸铋-钛酸钡-锌钛酸铋-铝酸铋高温无铅压电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铁酸铋‑钛酸钡‑锌钛酸铋‑铝酸铋高温无铅压电陶瓷及其制备方法，其组成通式为：xBiFeO3‑yBaTiO3‑zBi(Ti0.5Zn0.5)O3+tBiAlO3+mP+nMnCO3+2.5％Bi2O3，其中x、y、z、t、m，n表示摩尔分数，且0.6≤x≤0.8,0.15≤y≤0.3,0.05≤z≤0.15,0

A Bismuth Ferrate-Barium Titanate-Bismuth Zinc Titanate-Bismuth Aluminate High Temperature Lead-Free Piezoelectric Ceramic and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种铁酸铋-钛酸钡-锌钛酸铋-铝酸铋高温无铅压电陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及可在高温领域应用的无铅压电陶瓷材料，具体是一种铁酸铋-钛酸钡-锌钛酸铋-铝酸铋高温无铅压电陶瓷及其制备方法。
技术介绍
高温压电陶瓷作为振动传感器被广泛应用于航天航空、核能、石油勘探等领域，BiFeO3具有高的居里温度(830℃)和大的剩余极化强度，理论计算表明BiFeO3具有良好的压电性能，但是BiFeO3单独合成比较困难，极易在合成过程中生成富Bi相Bi24Fe2O39和富Fe相Bi2Fe4O9等杂项。通过在该体系中引入BaTiO3与其形成BiFeO3-BaTiO3固溶体，可以有效地抑制杂项的产生，并通过添加MnO2等元素抑制氧空位的产生提高电阻率，可以获得d33>170pC/N的BFBT陶瓷，但是BaTiO3的引入使得烧结温度偏高，导致介电损耗增加，且BaTiO3的居里温度只有120℃，使BiFeO3-BaTiO3体系的温度稳定性下降，去极化温度只能保持在Td<500℃的范围。Bi(Ti0.5Zn0.5)O3是一种具有高居里温度的四方相钙钛矿结构化合物，其与BiFeO3可形成固溶体，根据理论计算，两者的固溶体在单斜相0.4Bi(Ti0.5Zn0.5)O3-0.6BiFeO3成分处的TC可以达到1227℃。但是Bi(Ti0.5Zn0.5)O3的合成比较困难，容易产生杂项，需要在高温高压条件下合成。BiAlO3为三方相钙钛矿结构化合物，居里温度超过550℃，其从室温至550℃间没有任何相变，且具有非常高的温度稳定性，但是BiAlO3的合成也很困难，需要在高温高压下合成。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种铁酸铋-钛酸钡-锌钛酸铋-铝酸铋高温无铅压电陶瓷及其制备方法，采用本专利技术技术制备的压电陶瓷，居里温度可达到Tc＝596℃，退极化温度达到Td＝580℃，且压电常数达到137pC/N，该体系陶瓷有望应用在航天航空等高温压电振动传感器领域。实现本专利技术的技术方案是：一种铁酸铋-钛酸钡-锌钛酸铋-铝酸铋高温无铅压电陶瓷，其组成通式为：xBiFeO3-yBaTiO3-zBi(Ti0.5Zn0.5)O3-tBiAlO3+mP+nMnCO3+0.025Bi2O3，其中x、y、z、t、m、n表示摩尔分数，P为Ba(W0.5Cu0.5)O3、CuO、Li2CO3中的一种或两种烧结助剂的组合，且0.6≤x≤0.8,0.15≤y≤0.3,0.05≤z≤0.15,0<t≤0.10,0<m≤0.1,0<n≤0.1。上述铁酸铋-钛酸钡-锌钛酸铋-铝酸铋高温无铅压电陶瓷的制备方法，包括如下步骤：(1)以分析纯TiO2、BaCO3为原料，按照BaTiO3的比例进行配料，将混合粉末以无水乙醇为介质球磨24小时，100℃/12小时在烘箱中烘干、过200目筛，放入高铝坩埚中压实加盖，再放入马弗炉中980℃保温6小时合成，并降温冷却至200℃以下后取出备用；(2)将步骤(1)合成的BaTiO3与分析纯Bi2O3、TiO2、W2O3、ZnO、Li2CO3、CuO为原料，按照BaTiO3-aBi(Ti0.5Zn0.5)O3+cP的比例进行配料，其中P为烧结助剂Ba(W0.5Cu0.5)O3、Li2CO3、CuO中的一种或两种烧结助剂的组合，且0<a≤0.60,0<c≤0.1，将混合粉末以无水乙醇为介质球磨24小时，取出100℃/12小时在烘箱中烘干、过200目筛，放入高铝坩埚中压实加盖，再放入马弗炉中900℃-950℃保温4小时合成，并降温冷却至200℃以下后取出备用；(3)将步骤(1)合成的BaTiO3与分析纯Bi2O3、Al2O3、Li2CO3、CuO为原料，按照BaTiO3-bBiAlO3+dP的比例进行配料，其中P为烧结助剂Ba(W0.5Cu0.5)O3、Li2CO3、CuO中的一种或两种烧结助剂的组合，且0<b≤0.60,0<d≤0.1，将混合粉末以无水乙醇为介质球磨24小时，取出100℃/12小时在烘箱中烘干、过200目筛、放入高铝坩埚中压实加盖，再放入马弗炉中800℃-850℃保温4小时合成，并降温冷却至200℃以下后取出备用；(4)将Bi2O3、Fe2O3与步骤(2)合成的BaTiO3-aBi(Ti0.5Zn0.5)O3+cP以及步骤(3)合成的BaTiO3-bBiAlO3+dP按照xBiFeO3-yBaTiO3-zBi(Ti0.5Zn0.5)O3-tBiAlO3+mP+nMnCO3+2.5％Bi2O3进行配料，其中0.6≤x≤0.8,0.15≤y≤0.30,0.05≤z≤0.15,0<t≤0.10,0<m≤0.1,0<n≤0.1；其中2.5％mol的Bi2O3为弥补烧结过程中Bi元素的挥发，并作为烧结助剂促进烧结过程的进行，将混合粉末以无水乙醇为介质球磨24小时，100℃/12小时在烘箱中烘干、过200目筛，放入高铝坩埚中压实加盖，再放入密闭管式炉中通纯氧气以250℃/h的升温速率到780℃/4h合成xBiFeO3-yBaTiO3-zBiAlO3+tBi(Ti0.5Zn0.5)O3+mP+nMnCO3，保温4小时，并降温冷却至200℃以下后取出备用；(5)将步骤(4)合成的xBiFeO3-yBaTiO3-zBi(Ti0.5Zn0.5)O3-tBiAlO3+mP+nMnCO3+0.025Bi2O3粉末以无水乙醇为介质进行二次球磨24小时，取出干燥，过200目筛；(6)将过筛后的粉末加入质量百分比浓度为的5％PVA溶液造粒，在钢模中于100MPa下压制成型，模具内直径为1cm；(7)成型的素片放入马弗炉中以60℃/h的升温速率缓慢升温至600℃，保温24小时排胶；然后以20℃/min的升温速率快速升温到960-1000℃，保温120分钟后随炉冷却至室温；(8)将烧结样品抛光成两面光滑、厚度1mm的薄片，披银电极，650℃/30分钟烧银后备用；(9)将披银电极后的压电陶瓷片在硅油中极化，极化电场6000V/mm，极化温度150℃，时间30分钟，随后降温保持电场冷却至室温。为了获得致密的BiFeO3-BaTiO3-Bi(Ti0.5Zn0.5)O3-BiAlO3固溶体陶瓷，采用先合成BaTiO3主晶相，然后以其为“诱导剂”，将BaTiO3与Bi2O3、Al2O3混合均匀，并以Li2CO3、CuO、Ba(W0.5Cu0.5)O3等作为烧结助剂，煅烧获得BaTiO3-BiAlO3的钙钛矿结构固溶体；再采用同样的方法获得BaTiO3-Bi(Ti0.5Zn0.5)O3的钙钛矿结构固溶体，最后再将Bi2O3、Fe2O3与BaTiO3-BiAlO3、BaTiO3-Bi(Ti0.5Zn0.5)O3复合形成BiFeO3-BaTiO3-Bi(Ti0.5Zn0.5)O3-BiAlO3四元固溶体。采用该技术路线，充分利用了BaTiO3的“结构诱导”作用，可以有效的避免合成BiAlO3和Bi(Ti0.5Zn0.5)O3所需的高温高压条件以及抑制杂项的产生，将具有高居里温度的BiFeO3与BaTiO3-BiAlO3和BaTiO3-Bi(Ti0.5Zn0.5)O3形成固溶体，降低了BaTiO3在整个体系中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁酸铋‑钛酸钡‑锌钛酸铋‑铝酸铋高温无铅压电陶瓷，其特征是：组成通式为xBiFeO3‑yBaTiO3‑zBi(Ti0.5Zn0.5)O3‑tBiAlO3+mP+nMnCO3+2.5％Bi2O3，其中x、y、z、t、m、n表示摩尔分数，P为Ba(W0.5Cu0.5)O3、CuO、Li2CO3中的一种或两种烧结助剂的组合，且0.6≤x≤0.8,0.15≤y≤0.3,0.05≤z≤0.15,0<t≤0.10,0<m≤0.1,0<n≤0.1。

【技术特征摘要】
1.一种铁酸铋-钛酸钡-锌钛酸铋-铝酸铋高温无铅压电陶瓷，其特征是：组成通式为xBiFeO3-yBaTiO3-zBi(Ti0.5Zn0.5)O3-tBiAlO3+mP+nMnCO3+2.5％Bi2O3，其中x、y、z、t、m、n表示摩尔分数，P为Ba(W0.5Cu0.5)O3、CuO、Li2CO3中的一种或两种烧结助剂的组合，且0.6≤x≤0.8,0.15≤y≤0.3,0.05≤z≤0.15,0<t≤0.10,0<m≤0.1,0<n≤0.1。2.权利要求书1所述的铁酸铋-钛酸钡-锌钛酸铋-铝酸铋高温无铅压电陶瓷的制备方法，其特征是：利用BaTiO3的钙钛矿结构作为相结构“诱导剂”，以及添加烧结助剂，采用分步合成法，分别合成BaTiO3-aBi(Ti0.5Zn0.5)O3+cP以及BaTiO3-bBiAlO3+dP，再将其与Bi2O3、Fe2O3混合煅烧合成xBiFeO3-yBaTiO3-zBi(Ti0.5Zn0.5)O3-tBiAlO3+mP+nMnCO3+2.5％Bi2O3预烧粉末，制备方法包括如下步骤：(1)以分析纯TiO2、BaCO3为原料，按照BaTiO3的比例进行配料，将混合粉末以无水乙醇为介质球磨24小时，100℃/12小时在烘箱中烘干、过筛，放入高铝坩埚中压实加盖，再放入马弗炉中980℃保温6小时合成，并降温冷却至200℃以下后取出备用；(2)将步骤(1)合成的BaTiO3与分析纯Bi2O3、TiO2、ZnO、Li2CO3、W2O3、CuO为原料，按照BaTiO3-aBi(Ti0.5Zn0.5)O3+cP的比例进行配料，其中P为烧结助剂Ba(W0.5Cu0.5)O3、Li2CO3、CuO中的一种或两种烧结助剂的组合，且0<a≤0.60,0<c≤0.1，将混合粉末以无水乙醇为介质球磨24小时，取出100℃/12小时在烘箱中烘干、过筛，放入高铝坩埚中压实加盖，再放入马弗炉中900℃-950℃保温4小时合成，并降温冷却至200℃以下后取出备用；(3)将步骤(1)合成的BaTiO3与分析纯Bi2O3、Al2O3...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄蔚然，杨华斌，刘笑，张秀云，孙媛媛，陈巧红，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45