專利名稱：鈦酸鉍鈉鋇錫鈰壓電陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦酸鉍鈉鋇錫鈰壓電陶瓷，還涉及鈦酸鉍鈉鋇錫鈰壓電陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷在外加電場作用下可以產(chǎn)生應(yīng)變，同時，在外力作用下，壓電陶瓷會在兩極產(chǎn)生電荷，因此被廣泛的應(yīng)用于微位移器、傳感器、諧振器、換能器及濾波器等方面。
文獻“G.A.Smolensky，V.A.Isupov，A.I.agranovskaya，N.N.Krainik，Sov.Phys.-SolidState(Engl.Transl.)2(11)(1961)2651-2654”介紹了G.A.Smolensky等發(fā)明的鈦酸鉍鈉，它是一種復(fù)合鈣鐵礦鐵電體，室溫時呈三方晶系，居里點為320℃。鈦酸鉍鈉具有鐵電性強，剩余極化強度Pr＝38μC/cm2、壓電系數(shù)大，厚度耦合機電系數(shù)kt約為0.40～0.50、介電常數(shù)小、聲學(xué)性能好等優(yōu)良特性，且燒結(jié)溫度低，但鈦酸鉍鈉陶瓷矯頑場很高，約為73kV/cm，并且在鐵電相區(qū)電導(dǎo)率很高，因而難以極化，性能也難以得到提高。
鈦酸鋇是已經(jīng)規(guī)?；a(chǎn)的無鉛壓電陶瓷，但鈦酸鋇的壓電常數(shù)d33在100pC/N左右，難以通過摻雜大幅度地改善其性能，以滿足不同的需要；工作溫度區(qū)較窄，約為10～70℃，居里點為120℃，在0℃附近存在相變，導(dǎo)致性能參數(shù)的溫度穩(wěn)定性欠佳。
對于摻鈦酸鋇的鈦酸鉍鈉陶瓷，在已報導(dǎo)的電學(xué)性能中，壓電常數(shù)d33約為100pC/N，平面耦合機電系數(shù)kp約為0.18，品質(zhì)因數(shù)Qm約為122，不能滿足實際使用的需求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中鈦酸鉍鈉陶瓷矯頑場高、電導(dǎo)率高且難以極化，鈦酸鋇陶瓷工作溫度區(qū)窄等不足，本發(fā)明提供一種鈦酸鉍鈉鋇錫鈰壓電陶瓷，采用錫、鈰離子對Bi1/2Na1/2TiO3-BaTiO3進行單獨和復(fù)合摻雜，以降低其矯頑場和電導(dǎo)率，提高其機電耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)。
本發(fā)明還提供這種鈦酸鉍鈉鋇錫鈰壓電陶瓷的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種鈦酸鉍鈉鋇錫鈰壓電陶瓷，含有三氧化二鉍、碳酸鈉、碳酸鋇、二氧化鈦、氧化錫、氧化鈰，化學(xué)計量比為(1-x)[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-xBaTiO3-ywt％SnO2-zwt％CeO其中0＜x＜0.1，0≤10，0＜z＜10。
一種根據(jù)上述鈦酸鉍鈉鋇錫鈰壓電陶瓷制備方法，
(1)將三氧化二鉍、碳酸鈉、碳酸鋇、二氧化鈦、氧化錫按化學(xué)計量比為(1-x)[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-xBaTiO3-ywt％SnO2-zwt％CeO配料，其中0＜x＜0.1，0≤y＜10，0＜z＜10；(2)將配好的料放入振磨料斗中按鐵球∶料為4∶1的比例混料；(3)將混合好的料壓塊，預(yù)燒，打碎，再振磨后過篩；(4)加入20～30wt％的粘結(jié)劑，在軋膜機上反復(fù)軋制2～3小時，最終成型為方片；(5)將成型的方片放入烘箱中100～120℃9～15小時烘干成素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，分別在500℃及800℃各保溫1～3小時，隨爐冷卻；(6)排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，在1120～1200℃溫度范圍內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)完成后取出，涂敷低溫銀漿，500℃燒銀成為電極；(7)將敷銀電極的瓷片浸入160～170℃硅油中極化20～40分鐘，極化電場為2～4kV/mm。
本發(fā)明的有益效果是由于采用錫、鈰離子對Bi1/2Na1/2TiO3-BaTiO3進行單獨和復(fù)合摻雜，有效的降低了壓電陶瓷的矯頑場及電阻率，提高了壓電陶瓷的電學(xué)性能；本發(fā)明所得到的電學(xué)參數(shù)為，壓電常數(shù)d33為80～125pC/N，平面耦合機電系數(shù)kp為0.16～0.24，品質(zhì)因數(shù)Qm為47～200，厚度耦合機電系數(shù)kt為0.33～0.52，比現(xiàn)有技術(shù)制備的摻鈦酸鋇的鈦酸鉍鈉壓電常數(shù)d33＝100pC/N，平面耦合機電系數(shù)kp＝0.18，品質(zhì)因數(shù)Qm＝122大的多。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。


圖1是本發(fā)明的陶瓷燒結(jié)工藝2是0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2在1140℃燒結(jié)表面顯微形貌照片圖3是0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2-0.2wt％SnO2在1200℃燒結(jié)表面顯微形貌照片具體實施方式
實施例1，用分析純級含量為99.0％的三氧化二鉍、含量為99.8％的碳酸鈉、含量為99.0％的碳酸鋇、含量為98％的二氧化鈦、含量為99.99％的氧化鈰，按化學(xué)計量比為0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2進行稱量配料。將配好的料放入振磨料斗中按鐵球∶料為4∶1的比例混料，混料過程中不加入其他介質(zhì)。振磨的時間為6小時，混合好的料壓塊在750℃溫度下預(yù)燒1小時，取出煅燒的料打碎，再振磨6小時后過篩；加入20wt％的粘結(jié)劑，在軋膜機上反復(fù)軋制2小時，最終成型為12×12×0.5mm3的方片，放入烘箱中100℃9小時烘干成素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，分別在500℃及800℃保溫1小時，隨爐冷卻；排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，在1120℃燒結(jié)，燒結(jié)完成后取出，涂敷中溫銀漿，500℃燒銀成為電極，在160℃的硅油中極化20分鐘，極化電場為2kV/mm。壓電及介電性能參數(shù)詳見表1。

實施例2，用分析純級含量為99.0％的三氧化二鉍、含量為99.8％的碳酸鈉、含量為99.0％的碳酸鋇、含量為98％的二氧化鈦、含量為99.99％的氧化鈰，按化學(xué)計量比為0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2進行稱量配料。將配好的料放入振磨料斗中按鐵球∶料為4∶1的比例混料，混料過程中不加入其他介質(zhì)。振磨的時間為8小時，混合好的料壓塊在800℃溫度下預(yù)燒1.5小時，取出煅燒的料打碎，再振磨8小時后過篩；加入25wt％的粘結(jié)劑，在軋膜機上反復(fù)軋制2.5小時，最終成型為12×12×0.5mm3的方片，放入烘箱中110℃11小時烘干成素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，分別在500℃及800℃保溫2小時，隨爐冷卻；排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，在1140℃燒結(jié)，燒結(jié)完成后取出，涂敷中溫銀漿，500℃燒銀成為電極，在165℃的硅油中極化30分鐘，極化電場為3kV/mm。壓電及介電性能參數(shù)詳見表1。
實施例3，用分析純級含量為99.0％的三氧化二鉍、含量為99.8％的碳酸鈉、含量為99.0％的碳酸鋇、含量為98％的二氧化鈦、含量為99.99％的氧化鈰，按化學(xué)計量比為0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2進行稱量配料。將配好的料放入振磨料斗中按鐵球∶料為4∶1的比例混料，混料過程中不加入其他介質(zhì)。振磨的時間為10小時，混合好的料壓塊在850℃溫度下預(yù)燒2小時，取出煅燒的料打碎，再振磨10小時后過篩；加入30wt％的粘結(jié)劑，在軋膜機上反復(fù)軋制3小時，最終成型為12×12×0.5mm3的方片，放入烘箱中115℃13小時烘干成素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，分別在500℃及800℃保溫3小時，隨爐冷卻；排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，在1160℃燒結(jié)，燒結(jié)完成后取出，涂敷中溫銀漿，500℃燒銀成為電極，在170℃的硅油中極化40分鐘，極化電場為4kV/mm。壓電及介電性能參數(shù)詳見表1。
實施例4，用分析純級含量為99.0％的三氧化二鉍、含量為99.8％的碳酸鈉、含量為99.0％的碳酸鋇、含量為98％的二氧化鈦、含量為99.99％的氧化鈰，按化學(xué)計量比為0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2進行稱量配料。將配好的料放入振磨料斗中按鐵球∶料為4∶1的比例混料，混料過程中不加入其他介質(zhì)。振磨的時間為10小時，混合好的料壓塊在850℃溫度下預(yù)燒2小時，取出煅燒的料打碎，再振磨10小時后過篩；加入30wt％的粘結(jié)劑，在軋膜機上反復(fù)軋制3小時，最終成型為12×12×0.5mm3的方片，放入烘箱中115℃13小時烘干成素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，分別在500℃及800℃保溫3小時，隨爐冷卻；排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，在1180℃燒結(jié)，燒結(jié)完成后取出，涂敷中溫銀漿，500℃燒銀成為電極，在170℃的硅油中極化40分鐘，極化電場為4kV/mm。壓電及介電性能參數(shù)詳見表1。
實施例5，用分析純級含量為99.0％的三氧化二鉍、含量為99.8％的碳酸鈉、含量為99.0％的碳酸鋇、含量為98％的二氧化鈦、含量為99.99％的氧化鈰，按化學(xué)計量比為0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2進行稱量配料。將配好的料放入振磨料斗中按鐵球∶料為4∶1的比例混料，混料過程中不加入其他介質(zhì)。振磨的時間為10小時，混合好的料壓塊在850℃溫度下預(yù)燒2小時，取出煅燒的料打碎，再振磨10小時后過篩；加入30wt％的粘結(jié)劑，在軋膜機上反復(fù)軋制3小時，最終成型為12×12×0.5mm3的方片，放入烘箱中115℃13小時烘干成素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，分別在500℃及800℃保溫3小時，隨爐冷卻；排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，在1200℃燒結(jié)，燒結(jié)完成后取出，涂敷中溫銀漿，500℃燒銀成為電極，在170℃的硅油中極化40分鐘，極化電場為4kV/mm。壓電及介電性能參數(shù)詳見表1。
圖3是0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2在1140℃燒結(jié)表面顯微形貌照片顯微照片。很明顯，晶粒的大小在1.5μm左右，呈現(xiàn)明顯的四方結(jié)構(gòu)，晶粒大小均一，未見特大氣孔及異常長大晶粒。表1列出0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2在不同燒結(jié)溫度下壓電及介電性能參數(shù)。
實施例6，用分析純級含量為99.0％的三氧化二鉍、含量為99.8％的碳酸鈉、含量為99.0％的碳酸鋇、含量為98％的二氧化鈦、含量為99.5％的氧化錫、含量為99.99％的氧化鈰，按化學(xué)計量比為0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2-0.2wt％SnO2進行稱量配料。將配好的料放入振磨料斗中按鐵球∶料為4∶1的比例混料，混料過程中不加入其他介質(zhì)。振磨的時向為10小時，混合好的料壓塊在850℃溫度下預(yù)燒2小時，取出煅燒的料打碎，再振磨10小時后過篩；加入30wt％的粘結(jié)劑，在軋膜機上反復(fù)軋制3小時，最終成型為12×12×0.5mm3的方片，放入烘箱中115℃13小時烘干成素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，分別在500℃及800℃保溫3小時，隨爐冷卻；排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，在1110℃燒結(jié)，燒結(jié)完成后取出，涂敷中溫銀漿，500℃燒銀成為電極，在170℃的硅油中極化40分鐘，極化電場為4kV/mm。壓電及介電性能參數(shù)詳見表2。

實施例7，用分析純級含量為99.0％的三氧化二鉍、含量為99.8％的碳酸鈉、含量為99.0％的碳酸鋇、含量為98％的二氧化鈦、含量為99.5％的氧化錫、含量為99.99％的氧化鈰，按化學(xué)計量比為0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2-0.2wt％SnO2進行稱量配料。將配好的料放入振磨料斗中按鐵球∶料為4∶1的比例混料，混料過程中不加入其他介質(zhì)。振磨的時間為8小時，混合好的料壓塊在900℃溫度下預(yù)燒1.5小時，取出煅燒的料打碎，再振磨6小時后過篩；加入25wt％的粘結(jié)劑，在軋膜機上反復(fù)軋制1.5小時，最終成型為12×12×0.5mm3的方片，放入烘箱中120℃11小時烘干素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，分別在550℃和800℃各保溫2小時，隨爐冷卻；排完膠的素坯放入燒結(jié)爐中，在1120℃溫度范圍內(nèi)燒成；瓷片取出后，涂敷低溫銀漿，500℃燒銀成為電極，在165℃的硅油中極化20分鐘，極化電場為3kV/mm。壓電及介電性能參數(shù)詳見表2。
實施例8，用分析純級含量為99.0％的三氧化二鉍、含量為99.8％的碳酸鈉、含量為99.0％的碳酸鋇、含量為98％的二氧化鈦、含量為99.5％的氧化錫、含量為99.99％的氧化鈰，按化學(xué)計量比為0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2-0.2wt％SnO2進行稱量配料。將配好的料放入振磨料斗中按鐵球∶料為4∶1的比例混料，混料過程中不加入其他介質(zhì)。振磨的時間為11小時，混合好的料壓塊在900℃溫度下預(yù)燒1.5小時，取出煅燒的料打碎，再振磨11小時后過篩；加入30wt％的粘結(jié)劑，在軋膜機上反復(fù)軋制1.5小時，最終成型為12×12×0.5mm3的方片，放入烘箱中120℃13小時烘干素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，分別在550℃和800℃各保溫3小時，隨爐冷卻；排完膠的素坯放入燒結(jié)爐中，在1140℃溫度范圍內(nèi)燒成；瓷片取出后，涂敷低溫銀漿，500℃燒銀成為電極，在170℃的硅油中極化35分鐘，極化電場為3kV/mm。壓電及介電性能參數(shù)詳見表2。
實施例9，用分析純級含量為99.0％的三氧化二鉍、含量為99.8％的碳酸鈉、含量為99.0％的碳酸鋇、含量為98％的二氧化鈦、含量為99.5％的氧化錫、含量為99.99％的氧化鈰，按化學(xué)計量比為0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2-0.2wt％SnO2進行稱量配料。將配好的料放入振磨料斗中按鐵球∶料為4∶1的比例混料，混料過程中不加入其他介質(zhì)。振磨的時間為12小時，混合好的料壓塊在900℃溫度下預(yù)燒1.5小時，取出煅燒的料打碎，再振磨12小時后過篩；加入25wt％的粘結(jié)劑，在軋膜機上反復(fù)軋制1.5小時，最終成型為12×12×0.5mm3的方片，放入烘箱中120℃15小時烘干素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，分別在550℃和800℃各保溫1小時，隨爐冷卻；排完膠的素坯放入燒結(jié)爐中，在1160℃溫度范圍內(nèi)燒成；瓷片取出后，涂敷低溫銀漿，500℃燒銀成為電極，在168℃的硅油中極化40分鐘，極化電場為3kV/mm。壓電及介電性能參數(shù)詳見表2。
實施例10，用分析純級含量為99.0％的三氧化二鉍、含量為99.8％的碳酸鈉、含量為99.0％的碳酸鋇、含量為98％的二氧化鈦、含量為99.5％的氧化錫、含量為99.99％的氧化鈰，按化學(xué)計量比為0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2-0.2wt％SnO2進行稱量配料。將配好的料放入振磨料斗中按鐵球∶料為4∶1的比例混料，混料過程中不加入其他介質(zhì)。振磨的時間為6小時，混合好的料壓塊在900℃溫度下預(yù)燒1.5小時，取出煅燒的料打碎，再振磨6小時后過篩；加入25wt％的粘結(jié)劑，在軋膜機上反復(fù)軋制1.5小時，最終成型為12×12×0.5mm3的方片，放入烘箱中120℃11小時烘干素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，分別在550℃和800℃各保溫2小時，隨爐冷卻；排完膠的素坯放入燒結(jié)爐中，在1180℃溫度范圍內(nèi)燒成；瓷片取出后，涂敷低溫銀漿，500℃燒銀成為電極，在160～170℃的硅油中極化20分鐘，極化電場為3kV/mm。壓電及介電性能參數(shù)詳見表2。
實施例11，用分析純級含量為99.0％的三氧化二鉍、含量為99.8％的碳酸鈉、含量為99.0％的碳酸鋇、含量為98％的二氧化鈦、含量為99.5％的氧化錫、含量為99.99％的氧化鈰，按化學(xué)計量比為0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2-0.2wt％SnO2進行稱量配料。將配好的料放入振磨料斗中按鐵球∶料為4∶1的比例混料，混料過程中不加入其他介質(zhì)。振磨的時間為8小時，混合好的料壓塊在900℃溫度下預(yù)燒1.5小時，取出煅燒的料打碎，再振磨6小時后過篩；加入25wt％的粘結(jié)劑，在軋膜機上反復(fù)軋制1.5小時，最終成型為12×12×0.5mm3的方片，放入烘箱中120℃11小時烘干素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，分別在550℃和800℃各保溫2小時，隨爐冷卻；排完膠的素坯放入燒結(jié)爐中，在1200℃溫度范圍內(nèi)燒成；瓷片取出后，涂敷低溫銀漿，500℃燒銀成為電極，在160～170℃的硅油中極化20分鐘，極化電場為3kV/mm。壓電及介電性能參數(shù)詳見表2。
圖3是0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2-0.2wt％SnO2在1200℃燒結(jié)表面顯微形貌照片顯微照片。很明顯，晶粒的大小在3μm左右，呈現(xiàn)明顯的四方結(jié)構(gòu)，晶粒大小均一，未見特大氣孔及異常長大晶粒。表2列出0.94[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-0.06BaTiO3-0.4wt％CeO2-0.2wt％SnO2在不同燒結(jié)溫度下壓電及介電性能參數(shù)。
總之，本發(fā)明通過合理的原料配比、摻雜改性、優(yōu)化制備、燒結(jié)和極化工藝，實現(xiàn)了與環(huán)境兼容性好、性能優(yōu)良的鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷的工業(yè)化制備。
權(quán)利要求
1.一種鈦酸鉍鈉鋇錫鈰壓電陶瓷，含有三氧化二鉍、碳酸鈉、碳酸鋇、二氧化鈦、氧化錫、氧化鈰，化學(xué)計量比為(1-x)[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-xBaTiO3-ywt％SnO2-zwt％CeO其中0＜x＜0.1，0≤y＜10，0＜z＜10。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦酸鉍鈉鋇錫鈰壓電陶瓷制備方法，(1)將三氧化二鉍、碳酸鈉、碳酸鋇、二氧化鈦、氧化錫按化學(xué)計量比為(1-x)[(Na0.5Bi0.5)TiO3]-xBaTiO3-ywt％SnO2-zwt％CeO配料，其中0＜x＜0.1，0≤y＜10，0＜z＜10；(2)將配好的料放入振磨料斗中按鐵球∶料為4∶1的比例混料；(3)將混合好的料壓塊，預(yù)燒，打碎，再振磨后過篩；(4)加入20～30wt％的粘結(jié)劑，在軋膜機上反復(fù)軋制2～3小時，最終成型為方片；(5)將成型的方片放入烘箱中100～120℃9～15小時烘干成素片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，分別在500℃及800℃各保溫1～3小時，隨爐冷卻；(6)排完膠的素片放入燒結(jié)爐中，在1120～1200℃溫度范圍內(nèi)燒結(jié)，燒結(jié)完成后取出，涂敷低溫銀漿，500℃燒銀成為電極；(7)將敷銀電極的瓷片浸入160～170℃硅油中極化20～40分鐘，極化電場為2～4kV/mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈦酸鉍鈉鋇錫鈰壓電陶瓷，含有三氧化二鉍、碳酸鈉、碳酸鋇、二氧化鈦、氧化錫、氧化鈰，化學(xué)計量比為(1－x)[(Na
文檔編號C04B35/622GK1673181SQ20051004160
公開日2005年9月28日 申請日期2005年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月4日
發(fā)明者樊慧慶, 千學(xué)著, 劉來君, 葛偉, 柯善明, 張耿 申請人:西北工業(yè)大學(xué)