專利名稱：新型鐵電固溶體鈮鐿酸鋇-鈦酸鉛及其制備方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的電功能材料，特別是涉及一種新型的鐵電陶瓷材料。 具體而言，本發(fā)明涉及到具有MPB結(jié)構(gòu)且居里溫度相對較高的鐵電材料，以及 陶瓷的制備方法、結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。
背景技術(shù)：
鐵電材料由于其優(yōu)異的性能在醫(yī)學(xué)、國防、民用等方面有著廣泛而實際的 應(yīng)用。經(jīng)歷大約六十年的發(fā)展歷程，已經(jīng)發(fā)展為具有優(yōu)異壓電性能的倍受人們關(guān)注的階段(l-x)Pb(Mg1/3Nb2/3) 03 -xPbTi03 (簡稱PMN-PT^n(l-:c)Pb(Zn1/3Nb2/3) 3 -^131103(簡稱PZN-PT)體系。PMN-PT和PZN-PT由于其高的機(jī)電耦合系 數(shù)&3> 90%)和超高壓電系數(shù)(&〉 2000)而成為新一代的超聲換能器、傳感器和 驅(qū)動器的核心壓電材料。但是此類材料有幾類缺陷，如居里溫度低(140-170 。C) 和MPB相變溫度低(< 80 。C)，容易退極化，實際應(yīng)用的溫度范圍窄；含鉛量大， 在使用過程中給環(huán)境和人類健康造成危害；介電常數(shù)不夠高，在介電方面的應(yīng) 用受到限制等。因此，我們希望探索一種新型的高居里點、高性能的無鉛、少 鉛鐵電材料，以適用當(dāng)前鐵電材料的發(fā)展要求。(l-x)Ba(Mg1/3Nb2/3)03-xPbTi03 (BMN-PT)和(l-x)Ba(Zn"3Nb2/3) 03 - xPbTi03(簡稱BZN-PT)作為新型的少鉛鐵 電材料的研究己經(jīng)有所報導(dǎo)，它們在一定程度上減少了鉛對環(huán)境和人類的危害 問題，但是居里溫度仍不夠高，所以，我們希望找到一種居里點更高，性能更 好的固溶體系。以PbTi03為基的鐵電固溶體由于具有優(yōu)越的壓電性能，使其在機(jī)電轉(zhuǎn)換方 面的應(yīng)用得到廣泛的關(guān)注，而這種好的壓電性能通常出現(xiàn)在準(zhǔn)同型相界附近。因為在體系的準(zhǔn)同型相界附近，材料處于更易隨電場反轉(zhuǎn)的多疇狀態(tài)，具有高的電學(xué)活性，從而具有高的壓電效應(yīng)。同時，由于處于MPB中的兩相能量比較 接近，這使得它們之間更容易發(fā)生能量耦合，從而產(chǎn)生高的耦合系數(shù)。因此， 具有MPB結(jié)構(gòu)的鐵電固溶體系成為尋找性能優(yōu)越的鐵電材料的一個重要方向。 關(guān)于(l-x)Pb(Yb^Nbv2)03-xPbTi03(簡稱PYN-PT)的研究，已有不少報導(dǎo)， 它的性能很好，但結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、含鉛量又高，應(yīng)用上受到限制。而在PYN-PT中 添加少許的B,可以起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，這也提示了我們來研究BYN-PT固 溶體系。與PYN-PT相比，該體系的鉛含量減低，減少對人類和生態(tài)環(huán)境的危 害；另一方面，隨著PT含量的增加，BYN-PT呈現(xiàn)從介電體到介電弛豫體，到 弛豫鐵電體，再到普通鐵電體的連續(xù)過渡，這為深入了解鈣鈦礦型鐵電固溶體的 結(jié)構(gòu)性能研究提供了理想的研究對象。因此，我們開展對BYN-PT固溶體系的 研究。通過陶瓷材料的制作來確定MPB區(qū)域，測定陶瓷的結(jié)構(gòu)、介電和鐵電性 能，進(jìn)一步研究MPB區(qū)域組分的單晶生長、結(jié)構(gòu)和性能，并且系統(tǒng)研究該體系 的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為探索新型鐵電固溶體系提供指南。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于公開一種全新的鐵電固溶體系(l-x)Ba(Yb^Nb^ -xPbTi03 (0 < x < 1)，簡稱BYN國PT。為實現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明制備的新型鐵電固溶體鈮鐿酸鉛-鈦酸鉛，該固溶體化學(xué)式為(l-x)Ba(Yb1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(0<x<l)，屬于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。該固溶體陶瓷 存在準(zhǔn)同型相界，且組成范圍為0.65 <x< 0.70。本發(fā)明采用改進(jìn)的兩步法制備，包括如下步驟將初始原料BaC03、 Yb203 和Nb205按照Ba(Yb1/2Nb1/2)03分子式的化學(xué)計量比進(jìn)行稱重，混合研磨，在1450°C恒溫6 h合成純的Ba(Yb1/2Nb1/2)03;然后，將合成得到的Ba(Yb1/2Nb1/2)03 按照不同的比例與PbO和Ti(V混合研磨，在950 — 1250 °C恒溫4 h，得到(l -x)Ba(Yb^N^/2)03-xPbTi03不同組成的預(yù)合成粉末，將其研磨、烘干，在1200 —1300 °C燒結(jié)，得到(l - x)Ba(Yb1/2Nb1/2)03 - xPbTi03的陶瓷樣品。本發(fā)明制備的新型鐵電固溶體鈮鐿酸鉛-鈦酸鉛用于機(jī)電換能器，激勵器， 電容器，驅(qū)動器，微波通訊，微波介電，濾波器，超聲振蕩器和壓電蜂鳴器領(lǐng) 域。本發(fā)明是基于尋找新型的具有MPB結(jié)構(gòu)的鐵電固溶體系而進(jìn)行的。 BYN-PT作為具有弛豫性的鐵電固溶體系，具有很好的研究價值。首先合成粉末， 用X-射線粉末衍射確定結(jié)構(gòu)，并初步找到MPB區(qū)域，進(jìn)一步摸索燒結(jié)條件，完 成陶瓷的合成。然后，對其介電性質(zhì)和鐵電性質(zhì)進(jìn)行測試分析，通過以上的分 析確定相圖及MPB區(qū)域。
圖1 BYN-PT的粉末衍射圖譜，其中a: x = 0.20， b: x = 0.30， c: x = 0.50, d: x = 0.60， e: :c = 0.65, f: x = 0.66， g: x = 0.67， h: x = 0.68, i: x = 0.69, j: x = 0.70， k: x = 0.80。圖2 BYN—PT陶瓷部分(200)衍射峰的分裂情況。圖3 (a)—圖3 (c)為BYN—PT陶瓷部分(200)衍射峰的擬合結(jié)果。圖4BYN-PT體系不同組成的電滯回線。圖5為BYN—PT陶瓷的相圖。
具體實施例方式例1:采用改進(jìn)的兩步法制備BYN-PT固溶體的陶瓷樣品(1)先合成BYN，按一定的化學(xué)計量比稱取BaC03、 Yb203和Nb2Os原料，加無水乙醇和丙酮，研磨l一2h，壓片，1400。C恒溫6h ， 300。C/h升降溫。(2) 合成后的BYN樣品加無水乙醇和丙酮，研磨l一2h備用。(3) 按照一定的化學(xué)計量比稱取BYN、 PbO和Ti02，加無水乙醇和丙酮， 研磨l一2h，壓片，在950—1240。C溫度范圍進(jìn)行合成，得到x為0-0.9組成范 圍的BYN-PT胚體。(4) 加無水乙醇和丙酮充分研磨，加5wt。/。的PVA壓片，先以150。C/h的 速度升至600。C， 恒溫1.5h去除PVA,然后在1200—1600。C恒溫4h ， 300 。C/h升降溫，得到陶瓷樣品。以上得到的樣品即為本發(fā)明研制的鐵電陶瓷，其具體的制備條件如表1所示。例2:陶瓷的結(jié)構(gòu)確定。采用X —射線粉末衍射，確定陶瓷的結(jié)構(gòu)。所用儀器為日本RIGAKU — DMAX2500粉末衍射儀(Cu耙，/1 = 0.154056 nm,石墨單色儀)，具體測試條 件為室溫下，測量角度范圍為10-80°，采用的步長為0.02° (20)，時間2sperstep。 得到的粉末衍射結(jié)果如圖1和2所示。將得到的(200)峰進(jìn)行擬合得到如圖3所 示的結(jié)果，從而更清楚地看出其變化的情況。例3:陶瓷的電學(xué)性能測量。將陶瓷樣品磨薄、拋光，兩面涂上銀膠，用于鐵電性和介電性的測量。 鐵電性的測量所用儀器為7F2000標(biāo)準(zhǔn)鐵電測量系統(tǒng)，溫度條件為室溫，所加頻率為2 Hz。具體的測量結(jié)果如圖4所示。介電性的測量所用儀器為阿爾法介電/阻抗高分辨率分析儀(Novolcontro1，German),測溫范圍-150 500 。C，頻率范圍0.01 100 kHz,小信號測試電壓0.3 Vrmso表l BYN—PT陶瓷的制備條件煅燒溫度(°c)燒結(jié)溫度(°c)恒溫時間(h)10BYN-90PT9201240420BYN-80PT9301220430BYN-70PT9501200431BYN-69PT9501205432BYN-68PT9501205433BYN-67PT9501205434BYN-66PT9501205435BYN-65PT9501205436BYN-64PT9501210437BYN-63PT9501210438BYN-62PT9501210439BYN-61PT9501210440BYN-60PT9501210445BYN-55PT10001220450BYN-45PT10001220460BYN-40PT11501240470BYN-30PT12001240480BYN-20PT12201270490BYN-10PT124013004BYN16001600權(quán)利要求
1.一種新型鐵電固溶體鈮鐿酸鉛-鈦酸鉛，其特征在于該固溶體化學(xué)式為(1-x)Ba(Yb1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(0＜x＜1)，屬于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。
2. 如權(quán)利要求l所述的新型鐵電固溶體鈮鐿酸鉛-鈦酸鉛，其特征在于該固溶 體陶瓷存在準(zhǔn)同型相界，且組成范圍為0.65 <x< 0.70。
3. —種權(quán)利要求1所述的新型鐵電固溶體鈮鐿酸鉛-鈦酸鉛的制備方法，其特征 在于采用改進(jìn)的兩步法制備，包括如下步驟將初始原料BaC03、 Yb203 和Nb205按照Ba(Yb^Nb^)03分子式的化學(xué)計量比進(jìn)行稱重，混合研磨，在 1450 °C恒溫6 h合成純的Ba(Yb1/2Nb1/2)03;然后，將合成得到的 Ba(Yb1/2Nb1/2)03按照不同的比例與PbO和Ti02混合研磨，在950 —1250 。C恒 溫4h，得到(l-《8&(￥131/2她1/2)03-^151103不同組成的預(yù)合成粉末，將其研 磨、烘干，在1200—1300 。C燒結(jié)，得到(l-^83(丫1 1/2滿1/2)034 1)1103的陶 瓷樣品。
4. 一種權(quán)利要求1所述的新型鐵電固溶體鈮鐿酸鉛-鈦酸鉛的用途，其特征在 于該材料用于機(jī)電換能器，激勵器，電容器，驅(qū)動器，微波通訊，微波介 電，濾波器，超聲振蕩器和壓電蜂鳴器領(lǐng)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及新型鐵電固溶體鈮鐿酸鋇-鈦酸鉛及其制備方法和用途。該陶瓷具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，其化學(xué)式為(1-x)Ba(Yb<sub>1/2</sub>Nb<sub>1/2</sub>)-xPbTiO<sub>3</sub>(0＜x＜1)。其制備是采用改進(jìn)的兩步法完成的。通過X-射線粉末衍射，確定該體系的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，通過鐵電和介電測量，分析了其鐵電性和介電性?；诮Y(jié)構(gòu)和介電性的測量分析，確定了該陶瓷體系的二元無限混溶體相圖。
文檔編號C04B35/49GK101618965SQ200810071329
公開日2010年1月6日 申請日期2008年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月3日
發(fā)明者李修芝, 王祖建, 倩 魏, 龍西法 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所