鈦酸鋇基無鉛電致伸縮陶瓷及其製備方法
2023-09-13 15:26:50 3
鈦酸鋇基無鉛電致伸縮陶瓷及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種鈦酸鋇基無鉛電致伸縮陶瓷及其製備方法，原料組分及其摩爾百分比含量為50Ba(ZrxTi1-x)O3-50(Ba0.75Ca0.25)TiO3，其中x=0.15～0.30。本發明採用傳統的固相合成製備方法，於1300℃～1450℃燒結，得到了一種具有弛豫特徵和大電致伸縮應變的無鉛電致伸縮陶瓷。本發明的成分及工藝步驟簡單、易於操作、重複性好、成品率高；主要應用於換能器和微位移器等。
【專利說明】鈦酸鋇基無鉛電致伸縮陶瓷及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明是關於以成分為特徵的陶瓷組合物，尤其涉及BZT-BCT鈦酸鋇基無鉛電致伸縮陶瓷及其製備方法。
【背景技術】
[0002]在外電場作用下電介質所產生的與場強二次方成正比的應變，稱為電致伸縮。這種效應是由電場中電介質的極化所引起，並可以發生在所有的電介質中，其特徵是應變的正負與外電場方向無關。在壓電體中，外電場還可以引起另一種類型的應變，其大小與場強成比例，當外場反向時應變正負亦反號。後者是壓電效應的逆效應，不是電致伸縮。外電場所引起的壓電體的總應變為逆壓電效應與電致伸縮效應之和。對於非壓電體，外電場只引起電致伸縮應變。一般地，電致伸縮所引起的應變比壓電體的逆壓電效應小几個數量級。要在普通電介質中獲得相當於壓電體所能得到的大小的應變，外電場需高達108V/m。但在某些介電常數很高的電介質中，即使外電場低於106V/m，亦可獲得與強壓電體相近的機電耦合作用而提供技術應用。電致伸縮的另一個特點是在應用中其重現性較好。在外加強直流偏置電場作用下，對於疊加的交變電場，電致伸縮材料的機電耦合效應的滯後及老化現象比之常用的鐵電性壓電陶瓷要小得多。這個優點使得電致伸縮效應常用於壓力測量、連續可調雷射器、雙穩態光電器件等方面。
[0003]目前大多數的電致伸縮材料是含鉛的弛豫鐵電體複合鈣鈦礦型結構的材料，如鈮鎂酸鉛、鈮鋅酸鉛等。而弛豫鐵電陶瓷具有很高的介電常數、大的電致伸縮效應、相對低的燒結溫度和由彌散相變(Di ffuse Phase Transition簡稱DPT)引起較低容溫變化率，它是製作微位移器的優秀材料。由於鉛具有毒性，對環境和人體具有危害，所以現在國際上限制鉛的使用。但是由於電致伸縮材料在現代高科技領域已成為不可或缺的材料，所以我們必須尋找其替代品，這樣無鉛電致伸縮材料越來越受到人們的重視。
[0004]隨著現代電子信息技術的飛速發展，對於性能優異電介質材料的開發和探索已成為各國研究的熱點問題，目前，在性能改進方面主要採用2種方法:一種是摻雜改性，即摻雜某種改性離子；另一種是改進位備工藝。作為電容器材料，鈦酸鋇以其高介電常數，低介電損耗一直是無鉛介電材料的重點研究對象，所以以BaTiO3(BT)為基體，通過摻雜和改變製備工藝來獲得具有高的介電常數、電場可調性和居裡溫度可調性且不含鉛對環境無害等優點的電致伸縮材料，在無鉛電致伸縮材料發展中具有非常大的前景。因此我們適當調整製備工藝以保證獲得具有較好的介電性能和較大應變的電致伸縮材料。
【發明內容】
[0005]本發明的目的，是在現有技術的基礎上，採用傳統的固相合成方法，以鈦酸鋇(BT)為基體，以Zr，Ca為摻雜劑，提供一種具有較好介電性能和較大應變的BZT-BCT體系無鉛電致伸縮陶瓷。
[0006]本發明通過以下技術方案予以實現:[0007]—種鈦酸鋇基無鉛電致伸縮陶瓷，原料組分及其摩爾百分比含量為50Ba (ZrxTi^)03-50 (Ba。.75Caa25) TiO3,簡稱 BZT-BCT，其中 x=0.15 ~0.30 ;
[0008]該鈦酸鋇基無鉛電致伸縮陶瓷得製備方法，採用固相合成方法，製備步驟如下:
[0009](I)配料合成
[0010]按SOBa(ZrxIVx)O3-SO(Baa75Caa25) TiO3，其中 x=0.15 ~0.30 的化學計量比稱取原BaCO3, CaCO3, ZrO2和TiO2，裝入球磨罐中，球磨介質為水和瑪瑙球，球:料:水的重量比為2:1: 0.6，球磨4h，球磨轉速為800轉/分，再將混合料放入烘箱內80°C烘乾，再放入研缽內研磨，過40目篩；
[0011]⑵預燒
[0012]將步驟(1)中研磨、過篩後的粉料放入坩堝內，用瑪瑙棒壓實，加蓋，密封；在馬弗爐中於1200°C進行預燒，保溫4h，自然冷卻到室溫，出爐；
[0013]⑶二次球磨
[0014]在步驟(2)中烘乾的粉料在研缽中進行研磨，過40目篩，裝入球磨罐，球:料:水的重量比為2: I: 0.6，再二次球磨6h，轉速800rad/min，將粉料放入烘箱80°C烘乾；
[0015]⑷造粒
[0016]將步驟(3)烘乾的粉料在研缽中研細，過篩，外加重量百分比為5%~10%的聚乙烯醇，充分攪拌，過篩；
[0017](5)成型
[0018]步驟(4)中造粒後的粉料靜置12h，再將粉料放入直徑為15mm的不鏽鋼模具中，在400Mpa壓力下壓成圓柱狀還件；
[0019](6)排膠
[0020]步驟(5)中的坯件放入馬弗爐中，，溫度升至650°C，保溫20min，進行有機物排除；
[0021](7)燒結
[0022]將步驟(6)中排膠後的坯件放入坩堝中，密封，用同類粉料做埋料進行埋燒，在1300°C~1450°C中燒結，保溫2h，隨爐自然冷卻至室溫；
[0023](8)燒電極
[0024]將步驟(7)中燒結好的陶瓷片打磨至厚度為0.6mm,自然晾乾，在其上下表面塗覆銀漿，置於爐中升溫至735°C，保溫15min，自然冷卻至室溫；
[0025](9)測試製品的介電性能和電致伸縮性能。
[0026]所述無鉛電致伸縮陶瓷於步驟(1)與步驟(3)的球磨轉速為800轉/分。
[0027]所述無鉛電致伸縮陶瓷於步驟(7)的升溫速度為7V /分鐘。
[0028]所述無鉛電致伸縮陶瓷的製備方法採用傳統的固相合成方法。
[0029]所述無鉛電致伸縮陶瓷具有弛豫特徵和大的電致伸縮應變。
[0030]本發明的有益效果是，利用現有工藝技術製備出一種具有較大的電致伸縮應變、綜合性能良好的鈦酸鋇基(BT)無鉛電致伸縮陶瓷。本發明採用傳統的固相合成的方法，以鈦酸鋇(BT)為基體，以Zr，Ca為摻雜劑得到了鋯鈦酸鋇鈣(BCZT)，具有明顯弛豫特徵和較大電致伸縮應變的無鉛電致伸縮陶瓷。本發明的成分及工藝步驟簡單、易於操作、重複性好、成品率高。【專利附圖】
【附圖說明】
[0031 ] 圖1是本發明實施例1、2、3、4的BCZT體系樣品的XRD圖
[0032]圖2是本發明實施例1、2、3、4的BCZT體系樣品的表面形貌圖；
[0033]圖3是本發明實施例1、2、3、4的BCZT體系樣品的電滯回線；
[0034]圖4是本發明實施例1、2、3、4的BCZT體系樣品的電場-應變曲線(S-E)；
【具體實施方式】
[0035]本發明採用市售的化學純原料(純度≥99%)，為BaCO3, CaCO3, ZrO2和Ti02。
[0036]本發明鈦酸鋇基無鉛電致伸縮陶瓷，一種鈦酸鋇基無鉛電致伸縮陶瓷，原料組分及其摩爾百分比含量為 50Ba (ZrxTih) 03_50 (Ba0.75Ca0.25) TiO3,簡稱 BZT-BCT，其中 x=0.15 ~
0.30 ；
[0037]該鈦酸鋇基無鉛電致伸縮陶瓷得製備方法，採用固相合成方法，製備步驟如下:
[0038](I)配料合成
[0039]按SOBa(ZrxIVx)O3-SO(Baa75Caa25) TiO3，其中 x=0.15 ~0.30 的化學計量比稱取原BaCO3, CaCO3, ZrO2和TiO2，裝入球磨罐中，球磨介質為水和瑪瑙球，球:料:水的重量比為2:1: 0.6，球磨4h，球磨轉速為800轉/分，再將混合料放入烘箱內80°C烘乾，再放入研缽內研磨，過40目篩；
[0040](2)預燒
[0041]將步驟(1)中研磨、過篩後的粉料放入坩堝內，用瑪瑙棒壓實，加蓋，密封；在馬弗爐中於1200°C進行預燒，保溫4h，自然冷卻到室溫，出爐；
[0042](3) 二次球磨
[0043]在步驟(2)中烘乾的粉料在研缽中進行研磨，過40目篩，裝入球磨罐，球:料:水的重量比為2: 1: 0.6，再二次球磨6h，轉速800rad/min，將粉料放入烘箱80°C烘乾；
[0044](4)造粒
[0045]將步驟(3)烘乾的粉料在研缽中研細，過篩，外加重量百分比為5%~10%的聚乙烯醇，充分攪拌，過篩；
[0046](5)成型
[0047]步驟(4)中造粒後的粉料靜置12h，再將粉料放入直徑為15mm的不鏽鋼模具中，在400Mpa壓力下壓成圓柱狀還件；
[0048](6)排膠
[0049]步驟(5)中的坯件放入馬弗爐中，，溫度升至650°C，保溫20min，進行有機物排除；
[0050](7)燒結
[0051]將步驟(6)中排膠後的坯件放入坩堝中，密封，用同類粉料做埋料進行埋燒，在1300°C~1450°C中燒結，保溫2h，隨爐自然冷卻至室溫；
[0052](8)燒電極
[0053]將步驟(7)中燒結好的陶瓷片打磨至厚度為0.6mm,自然晾乾，在其上下表面塗覆銀漿，置於爐中升溫至735°C，保溫15min，自然冷卻至室溫；
[0054](9)測試製品的介電性能和電致伸縮性能。
[0055]具體實施例如下:[0056]實施例1:x=0.15，燒結溫度為1400°C ；
[0057]實施例2:x=0.20，燒結溫度為1400°C ；
[0058]實施例3:x=0.25，燒結溫度為1400°C ；
[0059]實施例4:x=0.30，燒結溫度為1400°C ；
[0060]上述實施例的室溫下的介電性能、電致伸縮性能測試結果列於表1。
[0061]測試手段為:用DGS-6A型數顯式電感測微儀測量試樣的軸向電致應變，用直流高壓電源沿試樣軸向施加電壓。
[0062]表1
[0063]
【權利要求】
1.一種鈦酸鋇基無鉛電致伸縮陶瓷，原料組分及其摩爾百分比含量為SOBa(ZrxTih)03-50出&(1750&(125)1103，簡稱821'-8(:1'，其中 χ=0.15 ~0.30 ; 該鈦酸鋇基無鉛電致伸縮陶瓷得製備方法，採用固相合成方法，製備步驟如下: (1)配料合成 按 SOBa(ZrxTih)O3-SO(Baa75Caa25)TiO3,其中 χ=0.15 ~0.30 的化學計量比稱取原BaCO3, CaCO3, ZrO2和TiO2，裝入球磨罐中，球磨介質為水和瑪瑙球，球:料:水的重量比為2:1: 0.6，球磨4h，球磨轉速為800轉/分，再將混合料放入烘箱內80°C烘乾，再放入研缽內研磨，過40目篩； (2)預燒 將步驟(1)中研磨、過篩後的粉料放入坩堝內，用瑪瑙棒壓實，加蓋，密封；在馬弗爐中於1200°C進行預燒，保溫4h，自然冷卻到室溫，出爐； (3)二次球磨 在步驟(2)中烘乾的粉料在研缽中進行研磨，過40目篩，裝入球磨罐，球:料:水的重量比為2: I: 0.6，再二次球磨6h，轉速800rad/min，將粉料放入烘箱80°C烘乾； (4)造粒 將步驟(3)烘乾的粉料在研缽中研細，過篩，外加重量百分比為5%~10%的聚乙烯醇，充分攪拌，過篩； (5)成型 步驟(4)中造粒後的粉料靜置12h，再將粉料放入直徑為15mm的不鏽鋼模具中，在400Mpa壓力下壓成圓柱狀還件； (6)排膠 步驟(5)中的坯件放入馬弗爐中，，溫度升至650°C，保溫20min，進行有機物排除； (7)燒結 將步驟(6)中排膠後的坯件放入坩堝中，密封，用同類粉料做埋料進行埋燒，在1300°C~1450°C中燒結，保溫2h，隨爐自然冷卻至室溫； (8)燒電極 將步驟(7)中燒結好的陶瓷片打磨至厚度為0.6mm,自然晾乾，在其上下表面塗覆銀漿，置於爐中升溫至735°C，保溫15min，自然冷卻至室溫； (9)測試製品的介電性能和電致伸縮性能。
2.根據權利要求1的鈦酸鋇基無鉛電致伸縮陶瓷，其特徵在於，所述步驟(1)與步驟(3)的球磨轉速為800轉/分。
3.根據權利要求1的鈦酸鋇基無鉛電致伸縮陶瓷，其特徵在於，所述無鉛電致伸縮陶瓷於步驟(7)的升溫速度為7°C /分鐘。
4.根據權利要求1的鈦酸鋇基無鉛電致伸縮陶瓷，其特徵在於，所述無鉛電致伸縮陶瓷的製備方法採用傳統的固相合成方法。
5.根據權利要求1的鈦酸鋇基無鉛電致伸縮陶瓷，其特徵在於，所述無鉛電致伸縮陶瓷具有弛豫特徵和大的電致伸縮應變。
【文檔編號】C04B35/622GK103553590SQ201310467154
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月9日 優先權日:2013年10月9日
【發明者】馬衛兵, 唐翠翠, 孫清池, 陳天凱, 張亞倩 申請人:天津大學