一种室温大电致应变的BaTiO3基无铅压电陶瓷及其制备方法技术

一种室温大电致应变的BaTiO3基无铅压电陶瓷及其制备方法，涉及一种压电陶瓷及其制备方法。是要解决现有BaTiO3基无铅压电陶瓷在室温电致应变小和烧结温度高的问题。压电陶瓷的化学式为Ba

【技术实现步骤摘要】
一种室温大电致应变的BaTiO3基无铅压电陶瓷及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种无铅压电陶瓷及其制备方法。

技术介绍

[0002]基于电子材料市场对环境友好型材料的强烈需求以及电子元器件的集成化、多功能化和高频化的发展趋势，无铅压电材料的电学性能面临着应用过程中更为严峻的挑战和更加苛刻的要求。尤其大驱力或大位移的压电致动器对具有大电致应变效应压电材料的强烈渴求，另外基于环保和健康的需求，研发大电致应变的环境友好型压电陶瓷对无铅材料的实用化具有重要意义。近年来，一系列高性能环境友好型电致应变材料被开发出来，如BaTiO3基陶瓷、Bi
0.5
Na
0.5
TiO3基材料(主要包括陶瓷、织构陶瓷和单晶)以及K
0.5
Na
0.5
NbO3基陶瓷。其中，Bi
0.5
Na
0.5
TiO3基压电陶瓷以其大室温电致应变、良好的温度稳定性和简易的制备过程而成为研究者关注的热点材料之一，在压电致动器应用方面表现出巨大的潜力，但其所含的Bi元素有毒且在高温烧结过程中极易挥发，同样危害环境和人类健康，Bi的高温挥发难以保证烧成陶瓷样品的化学计量比，其矫顽场较大，难以充分极化，这些缺点阻碍其应用和压电性能的充分释放；而BaTiO3基陶瓷因其烧结温度偏高(通常高于1350℃)，工作温区狭窄(居里温度T
C
通常低于120℃)，尤其较低的电致应变在压电致动器应用方面不占优势。研究者通过组分设计构建BaTiO3基二元或多元固溶体的准同型相界(MPB)、离子掺杂、添加助烧剂、改变制备工艺(控制原料、改变制备方法、改变烧结气氛、控制预烧和烧结工艺参数)、优化极化条件和热处理(退火或淬火)等多种方法研究BaTiO3基陶瓷的结构和电性能调控；另一方面，引入的较低熔点添加物在BaTiO3基陶瓷的制备过程中还可充当助烧剂，将其烧结温度有效降至1300℃以下，且BaTiO3基陶瓷没有挥发性元素和有毒元素，具有良好的化学稳定性，因此，大电致应变效应的BaTiO3基无铅压电陶瓷的研究对于实现压电致动器的环保型材料实用化具有重要意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术是要解决现有BaTiO3基无铅压电陶瓷的室温电致应变弱、烧结温度高的问题，提供一种室温大电致应变的BaTiO3基无铅压电陶瓷及其制备方法。
[0004]本专利技术一种室温大电致应变的BaTiO3基无铅压电陶瓷的化学式为Ba
0.70
Ca
0.30
TiO3+x mol％MnO2，其中x为摩尔分数，0.55≤x≤0.65。
[0005]上述室温大电致应变的BaTiO3基无铅压电陶瓷的制备方法，按以下步骤进行：
[0006]一、将原料BaCO3、CaCO3、TiO2和MnO2按化学式Ba
0.70
Ca
0.30
TiO3+x mol％MnO2的化学计量比称量，其中0.55≤x≤0.65；
[0007]二、将步骤一称量的粉料与无水乙醇混合放入球磨罐中用行星式球磨机以150～200转/min转速球磨22～24h，浆料取出后置于90℃干燥箱中保温4h烘干，用压片机在10～16MPa保持1～2min得到直径为55～60mm、厚度4～6mm的圆柱形待预烧胚体；其中无水乙醇质量与粉料总质量的比为(1.2～1.6):1；球磨所用磨球由直径分别为20mm、10mm和6mm的玛
瑙球按个数比1:10:15组成；
[0008]三、将步骤二获得的待预烧胚体放入马弗炉中以2～3℃/min升温速率升至900～950℃保温2～4h，随炉冷却得到预烧结压片；
[0009]四、粉碎预烧结压片至70～130目粉末，加入无水乙醇混合成溶液在球磨罐中用行星式球磨机以150～200转/min转速球磨22～24h，90℃保温4h烘干浆料，粉料中加入7wt％的聚乙烯醇溶液粘合剂，平均每1g粉料中添加1～1.5滴粘合剂，空气中放置22～24h后造粒，过100目和150目筛，取150目粉料，用压片机在5～7MPa保压1～3min获得直径9～11mm、厚0.5～1.0mm的薄圆片胚体，将胚体上下叠放并以相同组分粉料掩埋，在马弗炉中2～4℃/min升温速率升至600℃保温2h，排粘，随炉冷却，之后再次放入马弗炉中用阶段式升温方式烧结，即以2～4℃/min的升温速率升至800℃保温2h，再以1.5～2℃/min的升温速率升至1230～1340℃空气氛围中保温3～4h烧结，随炉冷却至室温，获得陶瓷胚体；步骤四中所述无水乙醇的质量与预烧结压片的粉末的质量比是(1.2～1.6):1。
[0010]五、将陶瓷胚体埋入相同组分粉料中，以1.5～3℃/min升温速率升温至800℃在空气中保温4～6h退火，随炉冷却至室温，用刚玉粉末加入去离子水在光滑玻璃板上对样品进行抛光，得到一种室温大电致应变的BaTiO3基无铅压电陶瓷；
[0011]本专利技术的优点：
[0012]1、本专利技术采用在室温铁电四方相
‑
介电正交相两相共存的Ba
0.70
Ca
0.30
TiO3陶瓷基体中引入多价离子Mn(Mn
2+
，Mn
3+
和Mn
4+
)进行B位受主掺杂，而且具有较低熔点(～535℃)的MnO2在Ba
0.70
Ca
0.30
TiO3陶瓷烧结过程中充当助烧剂将样品烧结温度降低了110℃，制备的陶瓷样品均呈四方
‑
正交两相共存的钙钛矿结构，随着MnO2掺杂量的增大，陶瓷样品的平均晶粒尺寸先增大后减小，致密度提高，晶胞体积增大；
[0013]2、本专利技术的BaTiO3基无铅压电陶瓷具有较大的双边电致应变bipolar S
max
、单边电致应变Unipolar S
max
和逆压电系数(其中S
max
是单边最大电致应变，E
max
是单边应变曲线中所加最大电场)。室温、50kV/cm的外加交流电场中、10Hz时测得本专利技术Ba
0.70
Ca
0.30
TiO3+0.6mol％MnO2陶瓷的双边电致应变bipolar S
max
、单边电致应变Unipolar S
max
和逆压电系数最大值分别为0.56％、0.75％和1500pm/V，其大电致应变甚至高于目前文献报道的Bi
0.5
Na
0.5
TiO3基材料和商用PZT陶瓷；
[0014]3、本专利技术制备的BaTiO3基无铅压电陶瓷的室温介电、铁电、电致应变和压电性能良好，其最佳综合室温电性能参数为相对介电常数ε
r
＝1323,介电损耗角正切值tanδ＝0.08,T
C
＝66℃,极化强度最大值P
max
＝12.2μC本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种室温大电致应变的BaTiO3基无铅压电陶瓷及其制备方法，其特征在于压电陶瓷的化学式为Ba
0.70
Ca
0.30
TiO3+x mol％MnO2，其中x为摩尔分数，x＝0.6。2.如权利要求1所述的一种室温大电致应变的BaTiO3基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：一、将原料BaCO3、CaCO3、TiO2和MnO2按化学式Ba
0.70
Ca
0.30
TiO3+x mol％MnO2的化学计量比称量，其中x＝0.6；二、将步骤一称量的原料和无水乙醇混合，放入行星式球磨机以150～200转/min的转速采用湿法球磨22～24h，将浆料放在90℃干燥箱中保温3～4h烘干，用压片机在10～16MPa保压1～2min，得到直径为55～60mm、厚度4～6mm的待预烧胚体；其中无水乙醇的质量与原料总质量的比为(1.2～1.6):1；球磨所用的磨球由直径为20mm、10mm和6mm的玛瑙球按个数比1:10:15组成；三、将步骤二制备的待预烧胚体放在马弗炉中以2～3℃/min的升温速率升至900～950℃保温2～4h预烧，随炉降温，得到预烧结压片；四、将预烧结压片粉碎至70～130目粉末，与无水乙醇混合放入球磨罐利用行星式球磨机以150～200转/min的转速球磨22～24h，90℃保温3～4h烘干浆料，加入7wt％的聚乙烯醇溶液粘合剂，平均每1g粉料中添加1～1.5滴粘合剂，空气中放置22～24h后造粒，即过筛10...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彩霞，王婉茹，刘一帆，王泽宇，李晶，赵艺雯，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：