一種鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷及其製備工藝的製作方法

2023-05-05 10:37:26 2

專利名稱：一種鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷及其製備工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬於環境協調性壓電陶瓷領域，特別涉及一種鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷及其製備工藝。
背景技術：
壓電陶瓷是壓電材料中品種最多，應用最為廣泛成熟的一類。然而，在壓
電陶瓷領域，長期以來由鋯鈦酸鉛(PZT)佔主導地位，PZT陶瓷中有毒的氧化鉛(或四氧化三鉛)約佔原料總量的70%左右，如此高的鉛含量在製備、使用和回收過程中，都會給環境和人類帶來危害。隨著人類社會的可持續發展和對環境保護問題的重視，開發無鉛的環境協調性壓電陶瓷是一項緊迫而且具有重大實用意義的課題。
鈦酸鉍鈉(Nao.5Bio.5)Ti03(NBT)是1960年由Smolensky等人發明的A位複合離子鈣鈦礦型鐵電體。NBT具有機電耦合係數各向異性較大、居裡溫度較高、相對介電常數較小及聲學性能好等優良特徵，而且燒結溫度低，被視為最有希望替代傳統含鉛壓電材料的候選材料之一。然而，室溫下NBT矯頑場強較高，在鐵電相區電導率大；而且難以燒成緻密樣品。這就使得NBT陶瓷的極化非常困難，陶瓷的壓電性能不能充分表現出來。加之該體系陶瓷中Na20易吸水，使陶瓷的化學物理性質穩定性欠佳。因此，單純的NBT陶瓷難以實用化。
目前，人們主要通過添加其它鈣鈦礦型化合物形成固溶體和製備技術方面
3對NBT進行改性。文獻l (JEurCeramSoc, 2002， 22:2115-2121)報導了組成式為Nao.5Bio.5Ti03-BaTi03無鉛壓電陶瓷體系；文獻2 (J Mater Res ， 1997，12(8):2152-2157)報導了組成式為Na(X5Bia5Ti03-SrTi03無鉛壓電陶瓷體系；文獻3(壓電與聲光，2000， 22(4):253-255)報導了組成式為Na。.5Bio.5TiOrCaTi03無鉛壓
電陶瓷體系。但以上二元系陶瓷體系存在性能指標較低的問題，距離實際應用還有一定距離。陶瓷晶粒定向技術和軟溶液製備技術等新工藝作為提高材料性能的有效方法，近年來受到重視。但這些製備技術仍處於探索階段，且生產成本高，工藝設備及過程穩定性不夠理想，從而使其應用大大受到限制。

發明內容
本發明的目的是提供一種鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷及其製備工藝，生產工藝簡單，成本低，緻密度高，壓電性能好。
本發明優選準同型相界附近、性能優異的Na^Bi^TiOrBaTiCb 、Na0.5Bia5TiO3-SrTiO3和Na。.5Bi。.5Ti03-CaTi03 二元系陶瓷體系為基礎，將具有類鈣鈦礦結構的反鐵電體NaNb03作為第三組元引入，形成新型三元系鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷體系，可以用通式(l-x)(Nao.5Bio.5;h.aMan03-xNaNb03來表示，其中x為陶瓷體系中NaNb03的摩爾含量，a為(Nao.sBio.5)Ti03中的複合離子(Nao.5Bio.5)被M置換的原子數，0^x<0.3， 0<a<0.3, M為二價鹼土金屬元素Ba、 Sr和Ca。
本發明的技術方案是這樣實現的
鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷組成通式為(l-x)(Nao.5Bio.5:h.aMaTiOrxNaNb03，其中M為二價鹼土金屬元素，x為NaNb03的摩爾含量，a為(Na。.5Bio.5)Ti03中的複合離子(Nao.5Bi。.5)被M置換的原子數，0<x<0.3， 0<a<0.3。
所述的二價鹼土金屬元素為Ba、 Sr和Ca。一種鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷的製備工藝，具體工藝流程為
1) 按照通式(l-x)(Naa5Bia5;h-aMaTi03-xNaNb03的質量百分比進行配料，其 中M為二價鹼土金屬元素，x為NaNb03的摩爾含量，a為(Nao.5Bi。.5)Ti03中的 複合離子(Nao.sBia5)被M置換的原子數，0<x<0.3， 0<a<0.3;
2) 將配料與無水乙醇按質量比1:1混合，在行星磨上球磨4~5h後在 105 12(TC進行烘乾，得到粉料；
3) 將乾燥後的粉料在800 82(TC下保溫2~3h進行預合成反應；
4) 將預合成後的粉料加入去離子水進行二次球磨4 5h，在105 12(TC烘乾 後加入5%的聚乙烯醇水溶液造粒後幹壓成圓片；
5) 將幹壓後的圓片再進行等靜壓二次成型，得到生坯圓片；
6) 生坯圓片在1060 116(TC溫度範圍，保溫燒結2 2.5h，得到瓷片；
7) 將燒結後的瓷片兩面磨光均勻塗上銀漿，在80(TC下進行燒銀；
8) 燒銀後在極化電壓為3~4KV/mm，極化溫度為150 18(TC的矽油浴中極 化10 15min，極化完成後得到鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷。
本發明成功製備了等靜壓成型的三元系鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷，三元系 陶瓷比二元系陶瓷具有更為優越的性能，可以大幅度地調節可供選擇的組成成 份和壓電性，容易獲得高機電耦合係數的材料。本發明的優點在於l)製備工 藝簡單，穩定性高，成本低廉，適用於規模生產；2)能較為容易的獲得高緻密 度的微晶陶瓷材料；3)提高了材料的壓電參數，基本滿足微位移驅動器用壓電 陶瓷材料實用化要求。
具體實施方式
實施例1:
以分析純的無水Na2C03、 Bi203、 BaC03、 Nb205和Ti02為原料，按通式0.9(Na<).5Bi.5).94Ba.6TiO3-0.1NaNbO3的化學計量比進行配料，將配料和無水乙 醇以1:1質量比混合後在行星磨上球磨4h後烘乾，將乾燥後的粉料在80(TC下 保溫2h進行預合成，將預合成後的粉料加入去離子水二次球磨4h，烘乾後加 入5%的聚乙烯醇水溶液造粒，將粉料幹壓成圓片後再進行等靜壓二次成型，排 膠後，生坯圓片在116(TC進行燒結，保溫2h後隨爐冷卻，將燒結後的陶瓷被銀 電極在16(TC的矽油浴進行極化。極化電壓3KV/mm，極化時間為15min。 測得性能如下-
sr tanS d33(PC/N) kp Qm
2844 0.0095 93 0.30 105
實施例2:
以分析純的無水Na2C03、 Bi203、 BaC03、 Nb205和Ti02為原料，成分表達 式為0.8(NaQ.5Bia5)o.94Ba{).6Ti03-0.2NaNb03，將配料和無水乙醇以1:1質量比混 合後在行星磨上球磨4h後烘乾，將乾燥後的粉料在80(TC下保溫2h進行預合成， 將預合成後的粉料加入去離子水二次球磨4h，烘乾後加入5%的聚乙烯醇水溶液 造粒，將粉料幹壓成圓片後再進行等靜壓二次成型，排膠後，生坯圓片在1160°C 溫度範圍進行燒結，保溫2h後隨爐冷卻，將燒結後的陶瓷被銀電極在160'C的 矽油浴進行極化。極化電壓3KV/mm,極化時間為15min。
測得性能如下
sr tan5 d33(PC/N) kp Qm
2266 0.0078 75 0.27 128
實施例3:
以分析純的無水Na2C03、 Bi203、 SrC03、岫205和Ti02為原料，成分表達式為0.9(Nao.5Bio.5)a74Sra26TiOr0.1NaNb03，將配料和無水乙醇以1:1質量比混合 後在行星磨上球磨4h後烘乾，將乾燥後的粉料在80(TC下保溫2h進行預合成， 將預合成後的粉料加入去離子水二次球磨4h,烘乾後加入5%的聚乙烯醇水溶液 造粒，將粉料幹壓成圓片後再進行等靜壓二次成型，排膠後，生坯圓片在IIO(TC 溫度範圍進行燒結，保溫2h後隨爐冷卻，將燒結後的陶瓷被銀電極在160'C的 矽油浴進行極化。極化電壓3.5KV/mm，極化時間為15min。 測得性能如下
er tanS d33(PC/N)kp Qm
2343 0.0072 68 0.25 132
實施例4:
以分析純的無水Na2C03、 Bi203、 SrC03、 ^>205和Ti02為原料，成分表達 式為0.8(Nao.5BiQ.5)a74Sra26Ti03-0.2NaNb03，將配料和無水乙醇以1:1質量比混合 後在行星磨上球磨4h後烘乾，將乾燥後的粉料在80(TC下保溫2h進行預合成， 將預合成後的粉料加入去離子水二次球磨4h，烘乾後加入5%的聚乙烯醇水溶液 造粒，將粉料幹壓成圓片後再進行等靜壓二次成型，排膠後，生坯圓片在1080°C 溫度範圍進行燒結，保溫2h後隨爐冷卻，將燒結後的陶瓷被銀電極在16(TC的 矽油浴進行極化。極化電壓3.5KV/mm，極化時間為15min。
測得性能如下
sr tanS d33(PC/N) kp Qm
16320.0062 63 0.24 140
實施例5:
以分析純的無水Na2C03、 Bi203、 CaC03、 >^205和Ti02為原料，成分表達式為0.9(Nao.5Bia5)o.96Cao.o4Ti03-0.1NaNb03，將配料和無水乙醇以1:1質量比混 合後在行星磨上球磨4h後烘乾，將乾燥後的粉料在82(TC下保溫2h進行預合成， 將預合成後的粉料加入去離子水二次球磨4h，烘乾後加入5%的聚乙烯醇水溶液 造粒，將粉料幹壓成圓片後再進行等靜壓二次成型，排膠後，生坯圓片在114(TC 溫度範圍進行燒結，保溫2h後隨爐冷卻，將燒結後的陶瓷被銀電極在16(TC的 矽油浴進行極化。極化電壓3.5KV/mm，極化時間為15min。 測得性能如下
sr tan5 d33(PC/N) kp Qm
1572 0.018 60 0.21 65
實施例6:
以分析純的無水Na2C03、 Bi203、 CaC03、 Nb205和Ti02為原料，成分表達 式為(XSCNaasBDMCaoWnOs-O^NaNbCb,將配料和無水乙醇以1:1質量比混 合後在行星磨上球磨4h後烘乾，將乾燥後的粉料在820。C下保溫2h進行預合成， 將預合成後的粉料加入去離子水二次球磨4h，烘乾後加入5%的聚乙烯醇水溶液 造粒，將粉料幹壓成圓片後再進行等靜壓二次成型，排膠後，生坯圓片在1140°C 溫度範圍進行燒結，保溫2h後隨爐冷卻，將燒結後的陶瓷被銀電極在16(TC的 矽油浴進行極化。極化電壓3KV/mm，極化時間為15min。
測得性能如下
sr tanS d33(PC/N) kp Qm
1498 0.023 55 0.18 50
權利要求
1. 一種鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷，其特徵在於組成通式為(1-x)(Na0.5Bi0.5)1-aMaTiO3-xNaNbO3，其中M為二價鹼土金屬元素，x為NaNbO3的摩爾含量，a為(Na0.5Bi0.5)TiO3中的複合離子(Na0.5Bi0.5)被M置換的原子數，0<x<0.3，0<a<0.3。
2. 如權利要求1所述的鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷，其特徵在於所述的 二價鹼土金屬元素為Ba、 Sr和Ca。
3. —種如權利要求1所述的鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷的製備工藝，其特徵在於具體工藝流程為-1) 按照通式(l-x)(Na。.5Bio.5)^MJ103-xNaNb03的質量百分比進行配料， 其中M為二價鹼土金屬元素，x為NaNb03的摩爾含量，a為(Nao.5Bio.5)Ti03 中的複合離子(Nao.5Bio.5)被M置換的原子數，0<x<0.3， 0<a<0.3;2) 將配料與無水乙醇按質量比1:1混合，在行星磨上球磨4~5h後在 105 120'C進行烘乾，得到粉料；3) 將乾燥後的粉料在800 82(TC下保溫2~3h進行預合成反應；4) 將預合成後的粉料加入去離子水進行二次球磨4 5h，在105 120'C烘 幹後加入5%的聚乙烯醇水溶液造粒後幹壓成圓片；5) 將幹壓後的圓片再進行等靜壓二次成型，得到生坯圓片；6) 生坯圓片在1060 1160。C溫度範圍，保溫燒結2 2.5h，得到瓷片；7) 將燒結後的瓷片兩面磨光均勻塗上銀漿，在800'C下進行燒銀；8) 燒銀後在極化電壓為3 4KV/mm，極化溫度為150 18(TC的矽油浴中 極化10 15min，極化完成後得到鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷。
全文摘要
本發明公開了一種鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷及其製備工藝。該組成通式(1-x)(Na0.5Bi0.5)1-aMaTiO3-xNaNbO3，其中x為陶瓷體系中NaNbO3的摩爾含量，a為(Na0.5Bi0.5)TiO3中的複合離子(Na0.5Bi0.5)被M置換的原子數，0≤x＜0.3，0＜a＜0.3，M為二價鹼土金屬元素Ba、Sr和Ca。製備工藝採用等靜壓二次成型法，不僅操作簡單，穩定性高，成本低廉，能較為容易的獲得高緻密度的微晶陶瓷材料，而且材料的壓電參數和機電耦合係數得到明顯提高，滿足微位移驅動器用壓電陶瓷材料實用化要求。
文檔編號C04B35/462GK101462875SQ20091002090
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月15日 優先權日2009年1月15日
發明者翔 史, 杜慧玲, 婷 王 申請人:西安科技大學