專利名稱：一種鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境協(xié)調(diào)性壓電陶瓷領(lǐng)域，特別涉及一種鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備工藝。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷是壓電材料中品種最多，應(yīng)用最為廣泛成熟的一類。然而，在壓
電陶瓷領(lǐng)域，長期以來由鋯鈦酸鉛(PZT)占主導(dǎo)地位，PZT陶瓷中有毒的氧化鉛(或四氧化三鉛)約占原料總量的70%左右，如此高的鉛含量在制備、使用和回收過程中，都會給環(huán)境和人類帶來危害。隨著人類社會的可持續(xù)發(fā)展和對環(huán)境保護(hù)問題的重視，開發(fā)無鉛的環(huán)境協(xié)調(diào)性壓電陶瓷是一項(xiàng)緊迫而且具有重大實(shí)用意義的課題。
鈦酸鉍鈉(Nao.5Bio.5)Ti03(NBT)是1960年由Smolensky等人發(fā)明的A位復(fù)合離子鈣鈦礦型鐵電體。NBT具有機(jī)電耦合系數(shù)各向異性較大、居里溫度較高、相對介電常數(shù)較小及聲學(xué)性能好等優(yōu)良特征，而且燒結(jié)溫度低，被視為最有希望替代傳統(tǒng)含鉛壓電材料的候選材料之一。然而，室溫下NBT矯頑場強(qiáng)較高，在鐵電相區(qū)電導(dǎo)率大；而且難以燒成致密樣品。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(xiàn)出來。加之該體系陶瓷中Na20易吸水，使陶瓷的化學(xué)物理性質(zhì)穩(wěn)定性欠佳。因此，單純的NBT陶瓷難以實(shí)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制備技術(shù)方面
3對NBT進(jìn)行改性。文獻(xiàn)l (JEurCeramSoc, 2002， 22:2115-2121)報(bào)道了組成式為Nao.5Bio.5Ti03-BaTi03無鉛壓電陶瓷體系；文獻(xiàn)2 (J Mater Res ， 1997，12(8):2152-2157)報(bào)道了組成式為Na(X5Bia5Ti03-SrTi03無鉛壓電陶瓷體系；文獻(xiàn)3(壓電與聲光，2000， 22(4):253-255)報(bào)道了組成式為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(biāo)較低的問題，距離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。陶瓷晶粒定向技術(shù)和軟溶液制備技術(shù)等新工藝作為提高材料性能的有效方法，近年來受到重視。但這些制備技術(shù)仍處于探索階段，且生產(chǎn)成本高，工藝設(shè)備及過程穩(wěn)定性不夠理想，從而使其應(yīng)用大大受到限制。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備工藝，生產(chǎn)工藝簡單，成本低，致密度高，壓電性能好。
本發(fā)明優(yōu)選準(zhǔn)同型相界附近、性能優(yōu)異的Na^Bi^TiOrBaTiCb 、Na0.5Bia5TiO3-SrTiO3和Na。.5Bi。.5Ti03-CaTi03 二元系陶瓷體系為基礎(chǔ)，將具有類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)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中的復(fù)合離子(Nao.5Bio.5)被M置換的原子數(shù)，0^x<0.3， 0<a<0.3, M為二價堿土金屬元素Ba、 Sr和Ca。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)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為二價堿土金屬元素，x為NaNb03的摩爾含量，a為(Na。.5Bio.5)Ti03中的復(fù)合離子(Nao.5Bi。.5)被M置換的原子數(shù)，0<x<0.3， 0<a<0.3。
所述的二價堿土金屬元素為Ba、 Sr和Ca。一種鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷的制備工藝，具體工藝流程為
1) 按照通式(l-x)(Naa5Bia5;h-aMaTi03-xNaNb03的質(zhì)量百分比進(jìn)行配料，其 中M為二價堿土金屬元素，x為NaNb03的摩爾含量，a為(Nao.5Bi。.5)Ti03中的 復(fù)合離子(Nao.sBia5)被M置換的原子數(shù)，0<x<0.3， 0<a<0.3;
2) 將配料與無水乙醇按質(zhì)量比1:1混合，在行星磨上球磨4~5h后在 105 12(TC進(jìn)行烘干，得到粉料；
3) 將干燥后的粉料在800 82(TC下保溫2~3h進(jìn)行預(yù)合成反應(yīng)；
4) 將預(yù)合成后的粉料加入去離子水進(jìn)行二次球磨4 5h，在105 12(TC烘干 后加入5%的聚乙烯醇水溶液造粒后干壓成圓片；
5) 將干壓后的圓片再進(jìn)行等靜壓二次成型，得到生坯圓片；
6) 生坯圓片在1060 116(TC溫度范圍，保溫?zé)Y(jié)2 2.5h，得到瓷片；
7) 將燒結(jié)后的瓷片兩面磨光均勻涂上銀漿，在80(TC下進(jìn)行燒銀；
8) 燒銀后在極化電壓為3~4KV/mm，極化溫度為150 18(TC的硅油浴中極 化10 15min，極化完成后得到鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷。
本發(fā)明成功制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(yōu)越的性能，可以大幅度地調(diào)節(jié)可供選擇的組成成 份和壓電性，容易獲得高機(jī)電耦合系數(shù)的材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于l)制備工 藝簡單，穩(wěn)定性高，成本低廉，適用于規(guī)模生產(chǎn)；2)能較為容易的獲得高致密 度的微晶陶瓷材料；3)提高了材料的壓電參數(shù)，基本滿足微位移驅(qū)動器用壓電 陶瓷材料實(shí)用化要求。
具體實(shí)施方式
實(shí)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(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料，將配料和無水乙 醇以1:1質(zhì)量比混合后在行星磨上球磨4h后烘干，將干燥后的粉料在80(TC下 保溫2h進(jìn)行預(yù)合成，將預(yù)合成后的粉料加入去離子水二次球磨4h，烘干后加 入5%的聚乙烯醇水溶液造粒，將粉料干壓成圓片后再進(jìn)行等靜壓二次成型，排 膠后，生坯圓片在116(TC進(jìn)行燒結(jié)，保溫2h后隨爐冷卻，將燒結(jié)后的陶瓷被銀 電極在16(TC的硅油浴進(jìn)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(shí)施例2:
以分析純的無水Na2C03、 Bi203、 BaC03、 Nb205和Ti02為原料，成分表達(dá) 式為0.8(NaQ.5Bia5)o.94Ba{).()6Ti03-0.2NaNb03，將配料和無水乙醇以1:1質(zhì)量比混 合后在行星磨上球磨4h后烘干，將干燥后的粉料在80(TC下保溫2h進(jìn)行預(yù)合成， 將預(yù)合成后的粉料加入去離子水二次球磨4h，烘干后加入5%的聚乙烯醇水溶液 造粒，將粉料干壓成圓片后再進(jìn)行等靜壓二次成型，排膠后，生坯圓片在1160°C 溫度范圍進(jìn)行燒結(jié)，保溫2h后隨爐冷卻，將燒結(jié)后的陶瓷被銀電極在160'C的 硅油浴進(jìn)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(shí)施例3:
以分析純的無水Na2C03、 Bi203、 SrC03、岫205和Ti02為原料，成分表達(dá)式為0.9(Nao.5Bio.5)a74Sra26TiOr0.1NaNb03，將配料和無水乙醇以1:1質(zhì)量比混合 后在行星磨上球磨4h后烘干，將干燥后的粉料在80(TC下保溫2h進(jìn)行預(yù)合成， 將預(yù)合成后的粉料加入去離子水二次球磨4h,烘干后加入5%的聚乙烯醇水溶液 造粒，將粉料干壓成圓片后再進(jìn)行等靜壓二次成型，排膠后，生坯圓片在IIO(TC 溫度范圍進(jìn)行燒結(jié)，保溫2h后隨爐冷卻，將燒結(jié)后的陶瓷被銀電極在160'C的 硅油浴進(jìn)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(shí)施例4:
以分析純的無水Na2C03、 Bi203、 SrC03、 ^>205和Ti02為原料，成分表達(dá) 式為0.8(Nao.5BiQ.5)a74Sra26Ti03-0.2NaNb03，將配料和無水乙醇以1:1質(zhì)量比混合 后在行星磨上球磨4h后烘干，將干燥后的粉料在80(TC下保溫2h進(jìn)行預(yù)合成， 將預(yù)合成后的粉料加入去離子水二次球磨4h，烘干后加入5%的聚乙烯醇水溶液 造粒，將粉料干壓成圓片后再進(jìn)行等靜壓二次成型，排膠后，生坯圓片在1080°C 溫度范圍進(jìn)行燒結(jié)，保溫2h后隨爐冷卻，將燒結(jié)后的陶瓷被銀電極在16(TC的 硅油浴進(jìn)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(shí)施例5:
以分析純的無水Na2C03、 Bi203、 CaC03、 >^205和Ti02為原料，成分表達(dá)式為0.9(Nao.5Bia5)o.96Cao.o4Ti03-0.1NaNb03，將配料和無水乙醇以1:1質(zhì)量比混 合后在行星磨上球磨4h后烘干，將干燥后的粉料在82(TC下保溫2h進(jìn)行預(yù)合成， 將預(yù)合成后的粉料加入去離子水二次球磨4h，烘干后加入5%的聚乙烯醇水溶液 造粒，將粉料干壓成圓片后再進(jìn)行等靜壓二次成型，排膠后，生坯圓片在114(TC 溫度范圍進(jìn)行燒結(jié)，保溫2h后隨爐冷卻，將燒結(jié)后的陶瓷被銀電極在16(TC的 硅油浴進(jìn)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(shí)施例6:
以分析純的無水Na2C03、 Bi203、 CaC03、 Nb205和Ti02為原料，成分表達(dá) 式為(XSCNaasBDMCaoWnOs-O^NaNbCb,將配料和無水乙醇以1:1質(zhì)量比混 合后在行星磨上球磨4h后烘干，將干燥后的粉料在820。C下保溫2h進(jìn)行預(yù)合成， 將預(yù)合成后的粉料加入去離子水二次球磨4h，烘干后加入5%的聚乙烯醇水溶液 造粒，將粉料干壓成圓片后再進(jìn)行等靜壓二次成型，排膠后，生坯圓片在1140°C 溫度范圍進(jìn)行燒結(jié)，保溫2h后隨爐冷卻，將燒結(jié)后的陶瓷被銀電極在16(TC的 硅油浴進(jìn)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(quán)利要求
1. 一種鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷，其特征在于組成通式為(1-x)(Na0.5Bi0.5)1-aMaTiO3-xNaNbO3，其中M為二價堿土金屬元素，x為NaNbO3的摩爾含量，a為(Na0.5Bi0.5)TiO3中的復(fù)合離子(Na0.5Bi0.5)被M置換的原子數(shù)，0<x<0.3，0<a<0.3。
2. 如權(quán)利要求1所述的鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷，其特征在于所述的 二價堿土金屬元素為Ba、 Sr和Ca。
3. —種如權(quán)利要求1所述的鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷的制備工藝，其特征在于具體工藝流程為-1) 按照通式(l-x)(Na。.5Bio.5)^MJ103-xNaNb03的質(zhì)量百分比進(jìn)行配料， 其中M為二價堿土金屬元素，x為NaNb03的摩爾含量，a為(Nao.5Bio.5)Ti03 中的復(fù)合離子(Nao.5Bio.5)被M置換的原子數(shù)，0<x<0.3， 0<a<0.3;2) 將配料與無水乙醇按質(zhì)量比1:1混合，在行星磨上球磨4~5h后在 105 120'C進(jìn)行烘干，得到粉料；3) 將干燥后的粉料在800 82(TC下保溫2~3h進(jìn)行預(yù)合成反應(yīng)；4) 將預(yù)合成后的粉料加入去離子水進(jìn)行二次球磨4 5h，在105 120'C烘 干后加入5%的聚乙烯醇水溶液造粒后干壓成圓片；5) 將干壓后的圓片再進(jìn)行等靜壓二次成型，得到生坯圓片；6) 生坯圓片在1060 1160。C溫度范圍，保溫?zé)Y(jié)2 2.5h，得到瓷片；7) 將燒結(jié)后的瓷片兩面磨光均勻涂上銀漿，在800'C下進(jìn)行燒銀；8) 燒銀后在極化電壓為3 4KV/mm，極化溫度為150 18(TC的硅油浴中 極化10 15min，極化完成后得到鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷及其制備工藝。該組成通式(1-x)(Na<sub>0.5</sub>Bi<sub>0.5</sub>)<sub>1-a</sub>M<sub>a</sub>TiO<sub>3</sub>-xNaNbO<sub>3</sub>，其中x為陶瓷體系中NaNbO<sub>3</sub>的摩爾含量，a為(Na<sub>0.5</sub>Bi<sub>0.5</sub>)TiO<sub>3</sub>中的復(fù)合離子(Na<sub>0.5</sub>Bi<sub>0.5</sub>)被M置換的原子數(shù)，0≤x＜0.3，0＜a＜0.3，M為二價堿土金屬元素Ba、Sr和Ca。制備工藝采用等靜壓二次成型法，不僅操作簡單，穩(wěn)定性高，成本低廉，能較為容易的獲得高致密度的微晶陶瓷材料，而且材料的壓電參數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)得到明顯提高，滿足微位移驅(qū)動器用壓電陶瓷材料實(shí)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(yōu)先權(quán)日2009年1月15日
發(fā)明者翔 史, 杜慧玲, 婷 王 申請人:西安科技大學(xué)