專利名稱：鐵電固溶體鈮鐿酸鋇-鈦酸鉛及其制備和用途的制作方法
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)明涉及到具有準(zhǔn)同型相界(MPB)結(jié)構(gòu)且居里溫度相對(duì)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(guó)防、民用等方面有著廣泛而實(shí)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(1-x) Pb (Mgl73Nb273) O3-XPbTiO3 (簡(jiǎn)稱PMN-PT)和(l-χ) Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-XPbTiO3 (簡(jiǎn)稱: ΡΖΝ-ΡΤ)體系。PMN-PT和PZN-PT由于其高的機(jī)電耦合系數(shù)(k33 > 90%)和超高壓電系數(shù)(d33 > 2000)而成為新一代超聲換能器、傳感器和驅(qū)動(dòng)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(shí)際應(yīng)用的溫度范圍窄；含鉛量大，在使用過(guò)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(diǎn)、高性能的無(wú)鉛、 少鉛鐵電材料，以適用當(dāng)前鐵電材料的發(fā)展要求。(1-X)Ba(Mgl73Nb273) O3-XPbTiO3 (BMN-PT) 和(1-x)Ba(Zn1/3Nb2/3) O3-XPbTiO3 (簡(jiǎn)稱BZN_PT)作為新型的少鉛鐵電材料的研究已經(jīng)有所報(bào)導(dǎo)，它們?cè)谝欢ǔ潭壬蠝p少了鉛對(duì)環(huán)境和人類的危害問(wèn)題，但是居里溫度仍不夠高，所以，我們希望找到一種居里點(diǎn)更高，性能更好的固溶體系。
以PbTiO3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MPB附近。因?yàn)樵隗w系的MPB附近，材料處于更易隨電場(chǎng)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(shí)，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(gè)重要方向。
關(guān)于(1-X)Pb(Yb1Z2Nb1Z2)O3-XPbTiO3 (簡(jiǎn)稱PYN_PT)的研究，已有不少報(bào)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Ba2+ 可以起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，這也提示了我們來(lái)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(duì)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(guò)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(duì)象。因此，我們開(kāi)展對(duì)BYN-PT固溶體系的研究。通過(guò)陶瓷材料的制作來(lái)確定MPB區(qū)域，測(cè)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(zhǎng)、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(kāi)一種全新的鐵電固溶體系(1-x)Ba(Yb1/2Nb1/2)-XPbTiO3 (O〈X〈 I)，簡(jiǎn)稱 BYN-PT。
為實(shí)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鋇-鈦酸鉛，該固溶體化學(xué)式為(1-x) Ba(Ybl72Nbl72)O3-XPbTiO3 (O < x < I)，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O. 65 < X < O. 70ο
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BaCO3Jb2O3和Nb2O5按照Ba(Yb1/2Nb1/2)03*子式的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行稱重，混合研磨，在1450 0C恒溫6 h合成純的 Ba(Ybl72Nbl72)O3 ;然后，將合成得到的Ba(Yb1/2Nb1/2)03按照不同的比例與PbO和TiO2混合研磨，在950 — 1250 °C恒溫4 h，得到(l_x)Ba(Yb1/2Nb1/2)O3-XPbTiO3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(1-x)Ba(Yb1/2Nb1/2)O3-XPbTiO3的陶瓷樣品O
本發(fā)明制備的新型鐵電固溶體鈮鐿酸鋇-鈦酸鉛用于機(jī)電換能器，激勵(lì)器，電容器，驅(qū)動(dòng)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?jī)r(jià)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(duì)其介電性質(zhì)和鐵電性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試分析，通過(guò)以上的分析確定相圖及MPB區(qū)域。


圖1BYN-PT 的粉末衍射圖譜，其中a: x = O. 20, b: x = O. 30, c: x = 0.50， d: x = 0. 60, e: X = 0. 65, f: x = 0. 66, g: x = 0. 67, h: x = 0. 68,1: x = 0. 69, j: x = 0. 70,k: x = 0. 80。
圖2BYN — 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(shí)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
(I)先合成BYN，按一定的化學(xué)計(jì)量比稱取BaCO3Jb2O3和Nb2O5原料，加無(wú)水乙醇和丙酮，研磨I —2 h，壓片，1400 ° C恒溫6 h ,300 ° C/h升降溫。
(2)合成后的BYN樣品加無(wú)水乙醇和丙酮，研磨I — 2 h備用。
(3)按照一定的化學(xué)計(jì)量比稱取BYN、PbO和TiO2，加無(wú)水乙醇和丙酮，研磨I — 2 h，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(wú)水乙醇和丙酮充分研磨，加5被％的PVA壓片，先以150 ° C/h的速度升至600 ° C，恒溫1. 5 h去除PVA，然后在1200 — 1600 ° C恒溫4 h，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I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靶，λ = O. 154056 nm，石墨單色儀)，具體測(cè)試條件為室溫下，測(cè)量角度范圍為10-80°，采用的步長(zhǎng)為O. 02° (2 Θ )，時(shí)間2 s per Step0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(cè)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(cè)量。
鐵電性的測(cè)量所用儀器為T(mén)F 2000標(biāo)準(zhǔn)鐵電測(cè)量系統(tǒng)，溫度條件為室溫，所加頻率為2 Hz。具體的測(cè)量結(jié)果如圖4所示。
介電性的測(cè)量所用儀器為阿爾法介電/阻抗高分辨率分析儀(Novolcontrol， German)，測(cè)溫范圍-150 500。C，頻率范圍O. 01 100 kHz，小信號(hào)測(cè)試電壓O. 3 Vrms0
表I BYN — PT陶瓷的制備條件
權(quán)利要求
1.一種鐵電固溶體鈮鐿酸鋇-鈦酸鉛，其特征在于該固溶體化學(xué)式為 (1-X) Ba (Ybl72Nbl72) O3-XPbTiO3,屬于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的鐵電固溶體鈮鐿酸鋇-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O. 65 < X < 0.70。
3.—種權(quán)利要求1所述的鐵電固溶體鈮鐿酸鋇-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、Yb2O3和Nb2O5按照Ba(Yb1/2Nb1/2) O3分子式的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行稱重，混合研磨，在1450 0C恒溫6 h合成純的Ba(Yb1/2Nb1/2)O3;然后，將合成得到的Ba(Yb1/2Nb1/2)03按照不同的比例與PbO和TiO2混合研磨，在950 — 1250 °C恒溫4 h，得到(1- X)Ba(Yb1/2Nb1/2)O3-XPbTiO3F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(1-x) Ba (Yb1/2Nb1/2) O3-XPbTiO3 的陶瓷樣品。
4.一種權(quán)利要求1所述的鐵電固溶體鈮鐿酸鋇-鈦酸鉛的用途，其特征在于該材料用于機(jī)電換能器，激勵(lì)器，電容器，驅(qū)動(dòng)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(Yb1/2Nb1/2) - xPbTiO3 (0 < x < 1)。其制備是采用改進(jìn)的兩步法完成的。通過(guò)X-射線粉末衍射，確定該體系的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，通過(guò)鐵電和介電測(cè)量，分析了其鐵電性和介電性?；诮Y(jié)構(gòu)和介電性的測(cè)量分析，確定了該陶瓷體系的二元無(wú)限混溶體相圖。
文檔編號(hào)C04B35/472GK102992758SQ20121053483
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者龍西法, 王祖建, 魏倩, 李修芝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所