掺钕和钐的铋层状压电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及掺钕和钐的铋层状压电陶瓷及其制备方法，属于压电 陶瓷领域。该材料的组成为Sr1-yBi2-x+yRexNb2O9，其中，Re＝Nd或Sm， 0＜x≤0.4，0≤y≤0.5，按照固相工艺制备方法，制备的铋层状压电 陶瓷材料具有低介电常数，低的机电耦系数，高的机械品质因数以及 很好的谐振频率温度稳定性等优点，是一种应用于压电陶瓷滤波器和 振荡器的优良候选材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于压电陶瓷领域。
技术介绍
铋层状无铅压电陶瓷是无铅压电材料的重要分支之一，其中的典型代表SrBi2Nb2O9，SrBi2Ta2O9和Bi3.25La0.75Ti4O12等由于抗疲劳性好，在非挥发性铁电随机存储器(FRAM)中具有非常好的应用前景，从而引起众多科研工作者的关注和研究。另一方面，与传统的铅基钙钛矿压电材料相比，铋层状铁电材料一般具有低介电常数、较高的居里温度、稳定性好等特点，因此非常适合应用于高温高频领域。铋层状结构铁电材料虽然具有上述优点，但由于该类材料结构上的各相异性导致其自发极化局限在a-b平面的二维方向上，所以也存在剩余极化小，矫顽场强大，压电活性低等缺点。为了提高铋层状结构铁电材料的性能，拓宽其应用范围，人们利用掺杂取代和晶粒定向以及热处理技术等方法对铋层状结构铁电材料进行了改性研究，取得了很好的效果。早期材料研究者认为铋层状铁电材料中的Bi2O2层中的Bi离子不能被任何离子取代。上世纪九十年代初，Millán等人发现含孤对电子的Pb2+，Sb3+，Sn2+和Te4+等离子能进入Bi2O2层取代同样含孤对电子的Bi3+。近年来，通过拉曼光谱和粉末中子衍射等测试手段，一些研究者进一步推断不含孤对电子的Ba2+，Sr2+，Ca2+和La3+等离子亦能进入Bi2O2层取代含孤对电子的Bi3+，并且伴随着弛豫现象的出现。另一方面，Ando等人研究发现SrBi2Nb2O9(SBN)具有很小的谐振频率温度稳定性(TCF)，低的机电耦合系数(Kp)以及高的机械品质因数(Qm)。在滤波器和振荡器中具有潜在应用。尽管SBN在铋层状结构铁电体(BLSF)中具有相对比较小的TCF值，但是对于在滤波器、振荡器中的应用而言，如高速数据传输系统，还是不够小。幸运地是，以Ando等人为主的一些材料科学家研究发现通过对SBN的Sr离子进行置换取代，能进一步降低材料的TCF值。例如，Ba2+对SBN中Sr2+进行取代，材料显示出弛豫特性，形成的(BaxSr1-x)Bi2Nb2O9陶瓷具有更低的TCF值。因此，适量的稀土离子Re(如Nd，Sm等)取代Bi2O2层中Bi3+能够诱导SrBi2Nb2O9表现出弛豫特性，很可能也会降低Re掺杂的SBN的TCF值，迄今为止，还未见稀土离子Re(如Nd，Sm等)取代SBN的Bi2O2层中的Bi离子而对SBN压电性能影响的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于利用稀土元素Re(Re＝Nd和Sm等)对SrBi2Nb2O9的Bi2O2层中的Bi离子进行取代改性，显著降低材料的谐振频率温度稳定性(TCF)，制备出一种新型的用于滤波器和振荡器的铋层状压电陶瓷材料。本专利技术材料的组成式为Sr1-yBi2-x+yRexNb2O9其中Re＝Nd或Sm，0＜x≤0.4，0≤y≤0.5。本专利技术材料的制备方法如下(1)按上述化学配比式进行配料，原料选用碳酸锶(SrCO3)、氧化铋(Bi2O3)、五氧化二铌(Nb2O5)、氧化钕(Nd2O3)和氧化钐(Sm2O3)。其最终结构为Sr1-yBi2-x+yRexNb2O9固溶体结构。(2)按照上述化学配比式称取适量的SrCO3，Bi2O3，Nb2O5，Nd2O3或Sm2O3等原料，用去离子水做弥散剂，球磨混料16～24小时后，出料烘干，过40目筛后，将粉料在60～80MPa的压力下成块，然后在800～900℃/2h，升温速率2～5℃/min条件下合成。合成后的块体捣碎，研磨过40目筛后，加适量去离子水细磨24小时，干燥。然后加入5～8wt％的PVA，放置12小时后，造粒，在150～250MPa下压片。成型后的样片在700～850℃/2h，升温速率为2～5℃/min的条件下排塑。排塑后的样片在1100～1200℃/2h坩埚密闭或粉料埋烧下烧结成瓷。压电性能的测量烧成好的陶瓷圆片双面平行磨至0.5mm厚。超声清洗干净后，双面涂银电极，升温速率为2℃/min，650～750℃/2h，烧银。最后进行样品性能测试。实验样品的d33是采用中国科学院声学所生产的ZJ-2型准静态d33测量仪测得。样品的机电耦合系数Kp和机械品质因数Qm利用Agilent4294A精密阻抗分析仪测得谐振反谐振频率然后通过查表计算得到。谐振频率的温度稳定性(TCF)计算公式如下 式中⊿fr是测量温度范围内的谐振频率的变化，fr20℃是20℃时的谐振频率。本专利技术通过Re(Re＝Nd和Sm等)对SrBi2Nb2O9中的Bi2O2层的Bi离子进行部分取代，制备了一种用于滤波器和振荡器的无铅铋层状压电陶瓷材料。该材料具有低介电常数，较低机电耦合系数Kp和较高的机械品质因数Qm，以及很小的谐振频率温度稳定性TCF的特点，是一种适用于滤波器和振荡器中的无铅压电陶瓷候选材料。附图说明图1为SrBi2-xNdxNb2O9(x＝0，0.1和0.2)陶瓷的径向振动方向谐振频率随温度变化的图谱图2为SrBi2-xSmxNb2O9(x＝0，0.1和0.2)陶瓷的径向振动方向谐振频率随温度变化的图谱具体实施方式下面结合实例对本专利技术的特点做进一步的描述，但并非仅局限于下述实施例。实施例1本材料以SrBi2Nb2O9为基体，利用Nd3+取代部分Bi3+，其组成为SrBi1.9Nd0.1Nb2O9，所用原料为碳酸锶(SrCO3)、氧化铋(Bi2O3)、五氧化二铌(Nb2O5)、氧化钕(Nd2O3)。按化学配比式称取SrCO3，Bi2O3，Nb2O5，Ta2O5和Nd2O3原料，用去离子水做弥散剂，球磨混料24小时，出料烘干，过40目筛，将粉料在80MPa的压力下成块，然后以2℃/min升温速率升至850℃，保温2h进行预合成。合成后的块体捣碎，研磨过40目筛后，加适量去离子水细磨24小时，120℃烘干。然后加入8wt％的浓度为5％的PVA，放置12小时后过20目筛造粒，在200MPa下压Φ16，厚度约为3mm的圆片。成型后的样片在800℃/2h，升温速率为2℃/min的条件下排胶。然后在坩埚密闭条件下，以3℃/min升温速率升至1150℃，保温2h烧结成瓷。烧结后的陶瓷圆片双面平行磨至0.5mm厚。超声清洗干净后，双面披银电极，在升温速率为2℃/min，650～750℃/2h条件下烧银。最后进行性能测试。测试性能见表1。实施例2本材料以SrBi2Nb2O9为基体，利用Nd3+取代部分Bi3+，其组成为SrBi1.8Nd0.2Nb2O9，烧结温度为1175℃，其余条件同实施例1。实施例3本材料以SrBi2Nb2O9为基体，利用Sm3+取代部分Bi3+，其组成为SrBi1.9Sm0.1Nb2O9，烧结温度为1150℃，其余条件同实施例1。实施例4本材料以SrBi2Nb2O9为基体，利用Sm3+取代部分Bi3+，其组成为SrBi1.8Sm0.2Nb2O9，烧结温度为1175℃，其余条件同实施例1。实施例5本材料以SrBi2Nb2O9为基体，利用Nd3+取代部分Bi3+，Bi3+取代部分Sr2+，其组成为Sr0.7Bi2.1Nd0.2Nb2O9，所用原料为碳酸锶(SrCO3)、氧化铋(Bi2O3)、五氧化二铌(Nb2O5)、氧化钕(Nd2O3)。表1SrBi2-xRexNb2O9(Re＝Nd和Sm，x本文档来自技高网...

【技术保护点】
掺钕和钐的铋层状压电陶瓷，其特征在于：　　　　化学式为Ｓｒ↓［１－ｙ］Ｂｉ↓［２－ｘ＋ｙ］Ｒｅ↓［ｘ］Ｎｂ↓［２］Ｏ↓［９］，其中：Ｒｅ＝Ｎｄ或Ｓｍ，０＜ｘ≤０．４，０≤ｙ≤０．５。

【技术特征摘要】
1.掺钕和钐的铋层状压电陶瓷，其特征在于化学式为Sr1-yBi2-x+yRexNb2O9，其中Re＝Nd或Sm，0＜x≤0.4，0≤y≤0.5。2.一种按权利要求1所述的掺钕和钐的铋层状压电陶瓷材料的制备方法，包括配料、混合、第一次成型、预合成、粉碎、细磨、造粒、第二次成型、排塑、烧结，其特征在于(1)按化学式Sr1-yBi2-x+yRexNb2O9进行配料，其中Re为Nd或Sm，0＜x≤0.4，0＜y≤0.5；(2)预合成条件为800～900℃保温2小时，自然冷却；(3)排塑条件为700～850℃保温2小时，自然冷却；(4)烧结条...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙琳，冯楚德，陈立东，
申请(专利权)人：孙琳，冯楚德，陈立东，
类型：发明
国别省市：31