一種鋯鈦酸鋇鈣無鉛壓電織構(gòu)陶瓷的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無鉛壓電材料領(lǐng)域，具體涉及一種鋯鈦酸鋇鈣無鉛壓電織構(gòu)陶瓷的制備方法；特別是織構(gòu)化鋯鈦酸鋇鈣(Baas5Caai5Tia9(]Zrai(AJ^:^BCZT)陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]1945年研究人員發(fā)現(xiàn)BaTi03晶體具有壓電效應(yīng)以來，人們對無機(jī)壓電材料的性能有了越來越多的了解。如今，其可制作成傳感器、制動器和變頻器等器件廣泛用于電子、激光、導(dǎo)航和生物等高新技術(shù)領(lǐng)域中。長久以來，常用的壓電陶瓷一般為含鉛體系，如PbZrJii x03 (PZT)、Pb (Mg1/3Nb2/3) 03-PbTi03 (PMN-PT)和 Pb (Zn1/3Nb2/3) 03-PbTi03 (PZN-PT)。但是不管在制備、使用的過程、甚至將他們廢棄之后，由于含有鉛元素都會給人類健康和生存環(huán)境帶來很大的損害。歐洲、美國及日本等國家和地區(qū)都相繼通過法案，控制含鉛工業(yè)制品的生產(chǎn)和流通，因此，壓電材料的無鉛化研究是一項(xiàng)深刻意義的課題。
[0003]BaTi03基無鉛壓電陶瓷是研究人員研究熱點(diǎn)之一，其為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)晶體，在含鉛壓電陶瓷被發(fā)現(xiàn)之前，BaTi03陶瓷就已經(jīng)器件化，進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。但是由于其低的壓電性能(<150pC/N)逐漸被含鉛壓電陶瓷所代替。為了提高BaTi03基陶瓷的壓電性能，一般可以通過元素?fù)诫s和織構(gòu)化來實(shí)現(xiàn)。
[0004]通過適當(dāng)元素?fù)诫s，仿照PZT系統(tǒng)，通過在室溫下形成位于準(zhǔn)同相界(MPB)附近的組成，從而可以大大提高壓電介電性能。中國專利CN101935212A通過在BaTi03S陶瓷中引入Zr和Ca離子，制備了組成為(1 -X) Ba (Ti。.8Zr0.2) 03-χ (Ba0.7Ca0.3) Ti03的壓電陶瓷(其中x = 0.45-0.60)，該組成范圍的壓電性能均超過了 240pC/N，相比純相BaTi03陶瓷，性能大幅度提高。此外，通過織構(gòu)化也可以提高壓電材料的性能，因?yàn)椴牧系膲弘娦阅芎途w的對稱性息息相關(guān)，不同的晶體方向材料的壓電性能不同。如中國專利CN103541014A使用提拉法生長晶體的工藝，采用{001}取向的單晶BaTi03籽晶，制備了化學(xué)式為Ba {1 x)CaxTi{1 y)Zry03(其中x = 0.005-0.5，y = 0.005-0.5)的BCZT單晶，切片進(jìn)行性能測量后，所得壓電系數(shù)均大于300pC/N，其組成點(diǎn)為Baas5Caai5Tia9(]Zrai(](y^aB體樣品切片后壓電系數(shù)大于600pC/N。但是根據(jù)此專利所提供的提拉法生長單晶的制備方式，工藝復(fù)雜，耗時(shí)多，設(shè)備昂貴，不利于材料的大規(guī)模生產(chǎn)及工業(yè)化，所以通過利用壓電晶體本身的壓電各向異性，通過微結(jié)構(gòu)調(diào)控手段，使壓電陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu)中的各向異性晶粒沿著某些特定方向進(jìn)行規(guī)則排列，制備晶粒特定取向的多晶陶瓷。這樣既可以避免制備壓電單晶的缺點(diǎn)，又可使材料的壓電性能在特定方向得到顯著的提高，是一種較好的壓電單晶取代方法。通過所查專利，至今為止，并沒有摻雜Zr和Ca離子的BaTi03基無鉛壓電陶瓷織構(gòu)化的報(bào)道，故本發(fā)明以鋯鈦酸鋇鈣(分子式8&。.8@。.1511。.9(^。.1。03)為基體，使用片狀BaTi03作為定向模板，通過反應(yīng)模板晶粒生長的方法，制備出了織構(gòu)度高達(dá)96%的織構(gòu)陶瓷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種高織構(gòu)度高壓電性能的鋯鈦酸鋇鈣無鉛壓電織構(gòu)陶瓷及其制備方法。制備這種材料所用的模板為片狀結(jié)構(gòu)鈦酸鋇(BaTi03)。這種織構(gòu)陶瓷的特征是晶粒定向生長，整齊排列，在(001)方向上具有優(yōu)良的壓電性能。陶瓷的織構(gòu)度可以采用Lotgering因子f來評估，f可由XRD衍射譜計(jì)算得出，f取值范圍為0〈f〈l，f值越大陶瓷的織構(gòu)度越高，即晶粒擇優(yōu)取向程度越大。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用的具體技術(shù)方案如下:
[0007]一種鋯鈦酸鋇鈣無鉛壓電織構(gòu)陶瓷的制備方法，步驟如下:
[0008]1)將鈣鹽、鋇鹽、二氧化鋯、二氧化鈦與片狀鈦酸鋇模板按照分子式Baas5CaQ.15TiQ.9QZraiQ03?行配料，其中片狀BaT1 3模板的含量占總粉體質(zhì)量的542% ;
[0009]2)將上述不含片狀8&1103模板的其他基體粉體，加入溶劑中；基體粉體和溶劑質(zhì)量比為1:0.54?1 ;加入質(zhì)量1-2%分散劑聚乙稀醇，行星球磨4-8小時(shí)；
[0010]3)將2)中混合物加入質(zhì)量1-2%增塑劑聚乙二醇400、質(zhì)量1_2%增塑劑鄰苯二甲酸二丁酯，質(zhì)量3-5%粘結(jié)劑聚乙烯醇，滾動球磨24-48小時(shí)；
[0011 ] 4)將片狀8&1103模板加入3)漿料中，滾動球磨1-4小時(shí)；
[0012]5)對4)所得流延漿料用流延成型機(jī)進(jìn)行流延操作，干燥后裁切；
[0013]6)對5)中所述流延坯片層壓，溫度70_90°C，壓強(qiáng)為80_100MPa ；
[0014]7)將層壓后的坯片裁切并排膠；
[0015]8)對所述排膠后坯片等靜壓，溫度為室溫，壓強(qiáng)150_200MPa ;
[0016]9)等靜壓后坯片熱處理制度為:在900-1500°C下保溫1_10小時(shí)。
[0017]所述的鈣鹽為鈦酸鈣或碳酸鈣的一種。
[0018]所述的鋇鹽為鋯酸鋇、鈦酸鋇粉體或碳酸鋇BaC(y^—種或多種。
[0019]所述的溶劑為質(zhì)量比2:3乙醇、丁酮共混物。
[0020]燒結(jié)后樣品經(jīng)過打磨、拋光、涂銀工序后，燒銀后即可進(jìn)行電性能測量。
[0021 ] 本發(fā)明制備的鋯鈦酸鋇鈣無鉛壓電織構(gòu)陶瓷，組成為Ba。.85Ca0.15Ti0.90Zr0.1003,相比現(xiàn)有技術(shù)制備的同組分陶瓷，通過XRD表征證明其晶粒沿著〈001〉方向排列，使得材料可以充分利用壓電材料的各向異性，提高了材料的壓電系數(shù)，其織構(gòu)度高達(dá)96%，壓電常數(shù)達(dá)290pC/N 以上
[0022]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢:
[0023]1.本發(fā)明首次將基于流延工藝的反應(yīng)模板晶粒生長法應(yīng)用于具有極佳壓電性能的 Ba0.85Ca0.15Ti0.90Zr0.1003體系；
[0024]2.本發(fā)明的Baas5Caai5Tia9(]Zrai(]03織構(gòu)陶瓷制備方法，避免模板漿料單獨(dú)配制，精確保證材料組分不變化；
[0025]3.本發(fā)明制備過程不使用氧化鉛，可以極大程度的保證環(huán)保要求；
[0026]4.本發(fā)明的8&。.8辦。.1511。.9(^。.1。03織構(gòu)陶瓷，晶粒定向效果良好，織構(gòu)度高(高達(dá)96% )，在無鉛壓電領(lǐng)域性能優(yōu)良，壓電常數(shù)可達(dá)290pC/N以上。
【附圖說明】
[0027]圖1為制備鋯鈦酸鋇鈣無鉛壓電織構(gòu)陶瓷的工藝流程圖。
[0028]圖2為實(shí)施例1中不同溫度下BaQ.S5CaQ.15Tia9QZrQ.1Q03織構(gòu)陶瓷的XRD圖譜。
[0029]圖3為實(shí)施例2中制得的8&。.8辦。.1511。.9(^。.1。03織構(gòu)陶瓷的微觀形貌圖(SEM圖)。
[0030]圖4為實(shí)施例4中制得的8&。.8辦。.1511。.9(^。.1。03織構(gòu)陶瓷的微觀形貌圖(SEM圖)。
[0031]圖5為實(shí)施例5中制得的8&。.8辦。.1511。.9(^。.1。03織構(gòu)陶瓷的微觀形貌圖(SEM圖)。
【具體實(shí)施方式】
[0032]實(shí)施例1:
[0033]將〇&1103、8&2抑3』&1103粉體、片狀8&1103模板按照分子式8&。.8辦。.1511。.9(^。.1。03進(jìn)行配料，其中片狀BaTi03模板添加量為0.30wt% ;將未添加BaT1 3模板的基體粉體和質(zhì)量比為1:0.82的溶劑混合(溶劑為質(zhì)量比2:3