專利名稱：一種鉍基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷及其低溫制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無鉛壓電陶瓷材料，特別是一種鉍基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷及其低溫制備方法。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷在信息、激光、導(dǎo)航、電子技術(shù)、通訊、計量檢測、精密加工和傳感技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。這種傳統(tǒng)壓電陶瓷的燒結(jié)溫度一般都在1000°c以上。另外，由于在高溫?zé)Y(jié)時部分元素容易揮發(fā)，導(dǎo)致材料的化學(xué)計量比偏離原先所設(shè)計的配方，使其電性能下降。目前常用的燒結(jié)方法主要有密封燒結(jié)法、埋燒法、氣氛法、過量法，但這些方法主要是為了確保配方中的化學(xué)計量比不變，并不能從根本上解決鉛的揮發(fā)。因此抑制元素揮發(fā)積極而有效的方法是實現(xiàn)壓電陶瓷的低溫?zé)Y(jié)。此外，低溫?zé)Y(jié)可以降低能耗。特別是在制備多層壓電陶瓷驅(qū)動器時，可以實現(xiàn)低溫電極材料的共燒，可以降低生產(chǎn)成本。因此，研究與發(fā)展低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷材料已經(jīng)成為國內(nèi)外當前研究的重點。文獻[SerhiyO, J Am Ceram Soc, 2009，92 (12) : 2957-2961]報導(dǎo)了具有高居里溫度與良好壓電性能的BiFeO3 - BaTiO3基無鉛壓電陶瓷，但需要在氧氣氣氛中燒結(jié)，燒結(jié)溫度在在950-975°C，難以和賤電極材料Cu、Ni等實現(xiàn)共燒。文獻[Ichiro Fujii, J J Appl Phys, 2011, 50:09ND07]報道了一種Mn摻雜的BaTiO3-Bi (Mgv2Tiv2)O3-BiFeO3無鉛壓電陶瓷，但燒結(jié)溫度在975°C以上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鉍基鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷及其低溫制備方法，這種無鉛壓電陶瓷通過添加多元復(fù)合燒結(jié)助劑，采用傳統(tǒng)陶瓷燒結(jié)技術(shù)，實現(xiàn)無鉛陶瓷在空氣氣氛中的無壓900°C低溫?zé)Y(jié)。該技術(shù)適合壓電陶瓷多層驅(qū)動器、變壓器、換能器等器件的新型低溫共燒材料與器件技術(shù)，可采用Ni、Cu等賤金屬材料作為電極材料，大幅度降低生產(chǎn)成本。本發(fā)明的主要內(nèi)容
(I)低溫?zé)o壓燒結(jié)的無鉛壓電陶瓷的配方
(1-x)BiMeO3-XBa(Ti1^uZru)03+Y,其中表示摩爾分數(shù)，Y表示多元復(fù)合燒結(jié)助劑。0<x〈0.5，0〈 u〈O. 5，0〈Υ〈0· I。式中Me為三價金屬元素。三價金屬元素Me為Fe、 Co、Ni、Sc、Mo、In、Al、Ga和Mn中的一種或多種，其中至少含有Fe。所述的燒結(jié)助劑Y 為 Li2C03> SrCO3> CuO, V2O5, MnO2, SnO2, ZnO, Si02、Bi203、MoO3> Ba(Wa5Cua5)O3 與 B2O3 中的多種，其中至少含有CuO、SrC03、Mn02。其中多元復(fù)合燒結(jié)助劑Y的摩爾比m的組成分別為0 彡 m(Li2CO3) ( 20%, 0<m(SrCO3) ( 50%, 0<m(CuO) ( 50%, O ( m(V2O5) ( 15%, (Km(MnO2) ( 20%, O ( m (SnO2) ( 15%, O ( m (ZnO) ( 30%, O ( m (SiO2) ( 30%, O^m(Bi2O3) ( 20%,O^m(MoO3) ( 15%,O^m(B2O3) ^ 15% ；0 (Ba(W0.5Cu0.5)O3) ( 30%。(2)上述(I)的壓電陶瓷制備方法為固相合成法，制備方法包括如下步驟1.以分析純Li2C03、V205、Sn02、Si02、Bi203、Mo03、Ba(W0 5Cu0 5) 03、B203、Cu0、SrC03、Bi203、 Li2CO3MnO2和ZnO中的多種為原料，按照Y的組成進行配料，以無水乙醇為介質(zhì)球磨，干燥；
2.以分析純原料按照化學(xué)式(I-Jr)BiMeO3-JrBa(TilnjZru)O3進行配料，以無水乙醇為介質(zhì)球磨24小時，在80°C烘干，放入高鋁坩堝加蓋，以250°C /h的升溫速率到850°C保溫6小時合成；合成的粉料加入Y多元復(fù)合燒結(jié)助劑，以無水乙醇為介質(zhì)球磨24小時，在80°C烘干，加入5%PVA溶液造粒；
3.在鋼模中于IOOMPa下壓制成型；
4.成型的素片以100°C/h的升溫速率在600°C保溫2h排膠，再以100°C /min的升溫速率到900°C保溫2h燒結(jié)，以2V /min的速度降溫到850°C保溫2h，隨爐冷卻到室溫。燒結(jié)后的樣品加工成兩面光滑、厚度約Imm的薄片，披銀電極；
5.在硅油中極化，極化電場5000V/mm，溫度120°C，時間10分鐘，保持電場冷卻至室溫。本發(fā)明的優(yōu)點是這種無鉛壓電陶瓷通過添加多元復(fù)合燒結(jié)助劑，采用傳統(tǒng)陶瓷燒結(jié)技術(shù)，實現(xiàn)無鉛陶瓷在空氣氣氛中的無壓900°C低溫?zé)Y(jié)。該技術(shù)適合壓電陶瓷多層驅(qū)動器、變壓器、換能器等器件的新型低溫共燒材料與器件技術(shù)，可采用Ni、Cu等賤金屬材料作為電極材料，大幅度降低生產(chǎn)成本。


圖I為實施例I的無鉛壓電陶瓷的SEM圖2為實施例I的無鉛壓電陶瓷的XRD圖。
具體實施例方式實施例I :
成分通式為0. 78Bi(Fe0.96Co0.01Mn0.03)O3-O. 22Ba(Ti0.90Zr0.10)03+0. OlY ;其中Y=30%Cu 0+40%Sr CO3+10%Mn02+l 5%B i203+5%L i2C03 制備方法包括如下步驟
1.以分析純CuO、SrC03、Bi203、Li2CO3 MnO 和 ZnO 為原料，按照 Y=30%Cu0+40%SrC03+10% Mn02+15%Bi203+5%Li2C03進行配料，以無水乙醇為介質(zhì)球磨24h，在80°C干燥；
2.以分析純BaC03、TiO2, ZrO2, Bi203、Fe203、Co2O3> MnO2 按照化學(xué)式
O.78Bi (Fea96CoacilMnatl3)O3-O. 22Ba(Ti0.90Zr0.10)03 進行配料，以無水乙醇為介質(zhì)球磨 24 小時，在80°C烘干，放入高鋁坩堝加蓋，以250°C /h的升溫速率到750°C保溫2小時合成；合成的粉料加入O. OlY多元復(fù)合燒結(jié)助劑，以無水乙醇為介質(zhì)球磨24小時，在80°C烘干，加入 5%PVA溶液造粒。3.在鋼模中于IOOMPa下壓制成型；
4.成型的素片以100°C/h的升溫速率在600°C保溫2h排膠，再以100°C /min的升溫速率到900°C保溫2h燒結(jié)，以2V /min的速度降溫到850°C保溫2h，隨爐冷卻到室溫。燒結(jié)后的樣品加工成兩面光滑、厚度約Imm的薄片，披銀電極；
5.在硅油中極化，極化電場5000V/mm，溫度120°C，時間10分鐘，保持電場冷卻至室溫。所得樣品放置24小時后按IRE標準對制成的壓電陶瓷進行壓電性能測量。性能測量結(jié)果如下
權(quán)利要求
1.一種低溫?zé)Y(jié)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷，其特征在于組成通式為(I-Z) BiMeO3-ZBa(TihZru)OJY,其中表示摩爾分數(shù)，Y表示多元復(fù)合燒結(jié)助劑，0CK0. 5，0〈 u 〈O. 5，0〈Y〈0. 1，式中M為三價金屬元素。
2.如權(quán)利要求1，所述的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷，其特征在于所述的三價金屬元素 M為Fe、Co、Ni、Sc、Mo、In、Al、Ga和Mn中的一種或多種，其中至少含有Fe。
3.如權(quán)利要求1，所述的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷，其特征在于所述的多元燒結(jié)助劑 Y 為 Li2CO3'SrC03、CuO，V2O5, MnO2, SnO2,ZnO，SiOyBi2OrBa(Wci 5Cua5)OpMoO3 與 B2O3 中的多種，其中至少含有Cu0、SrC03、Mn02 ;其中Y的摩爾比m的組成分別為=O^m(Li2CO3)彡20%， (Km(SrCO3) ( 50%，(Km(CuO) ( 50%, O ( Hi(V2O5) ( 15%, 0<m (MnO2) ( 20%, O ( Hi(SnO2) ( 15%, O ( m (ZnO) ( 30%, O ( m (SiO2) ( 30%, O ( Hi(Bi2O3) ( 20%, O ( m (MoO3) ( 15%, O ( Hi(B2O3) ( 15%, O ( m (Ba (W0.5Cu0.5) ( 30%。
4.如權(quán)利要求1-3所述的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征是采用傳統(tǒng)陶瓷的固相合成法，主要步驟如下(1)以分析純Li2CO3、V2O5、SnO2、SiO2、Bi203、MoO3、Ba (W0.5Cu0.5) O3、B2O3、CuO、SrCO3、Bi203、 Li2CO3MnO2和ZnO中的多種為原料，按照Y的組成進行配料，以無水乙醇為介質(zhì)球磨，干燥；(2)以分析純原料按照化學(xué)式(I-Jr)BiMeO3-JrBa(TilnjZru)O3進行配料，以無水乙醇為介質(zhì)球磨24小時，在80°C烘干，放入高鋁坩堝加蓋，以250°C /h的升溫速率到750_850°C保溫 2小時合成；合成的粉料加入Y多元復(fù)合燒結(jié)助劑，以無水乙醇為介質(zhì)球磨24小時，在80°C 烘干，加入5%PVA溶液造粒；(3)在鋼模中于IOOMPa下壓制成型；(4)成型的素片以100°C/h的升溫速率在600°C保溫2h排膠，再以100°C /min的升溫速率到900°C保溫2h燒結(jié)，以2V /min的速度降溫到850°C保溫2h，隨爐冷卻到室溫，燒結(jié)后的樣品加工成兩面光滑、厚度約Imm的薄片，披銀電極；(5)在硅油中極化，極化電場5000V/mm，溫度120°C，時間10分鐘，保持電場冷卻至室溫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在900℃無壓低溫?zé)Y(jié)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷及制備方法，用組成通式為(1-x)BiMeO3-xBa(Ti1-uZru)O3+Y，其中x、u表示摩爾分數(shù)，Y表示低溫熔塊。0<x<0.5，0<u<0.5，0<Y<0.1。式中M為三價金屬元素。采用傳統(tǒng)陶瓷制備技術(shù)，實現(xiàn)了無鉛壓電陶瓷在空氣中900℃無壓低溫?zé)Y(jié)和壓電性能改性。該發(fā)明適合壓電陶瓷多層驅(qū)動器、變壓器、換能器等器件的新型低溫共燒材料與器件，可采用Ni、Cu等賤金屬材料作為電極材料，大幅度降低生產(chǎn)成本。
文檔編號C04B35/26GK102584195SQ201210032459
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月14日
發(fā)明者單旭, 周昌榮, 周沁, 岑偵勇, 楊華斌, 袁昌來, 陳國華 申請人:桂林電子科技大學(xué)