[發明專利]一種摻雜Ca2+的鉍層狀壓電陶瓷材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201010271185.1
• 申請日: 2010-09-03
• 公開（公告）號: CN101982441A
• 公開（公告）日: 2011-03-02
• 發明（設計）人: 閔鑫;錢小龍;房明浩;黃朝暉;劉艷改
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（北京）
• 主分類號: C04B35/453
• 分類號: C04B35/453;C04B35/622;H01L41/187
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技術領域

本發明涉及一種摻雜Ca²⁺的鉍層狀壓電陶瓷材料及其制備方法，屬于壓電陶瓷制備技術領域。

背景技術

壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能相互轉換的具有壓電效應的功能材料。以Pb(Zr，Ti)O₃為代表的鉛基壓電陶瓷因其性能優異，在電子和微電子等領域已獲得了廣泛的應用，但鉛基壓電陶瓷在制備、使用及廢棄后處理的過程中對環境及人類造成嚴重危害。因此，隨著環境保護和人類社會可持續發展的需求，開發環境友好的無鉛壓電陶瓷已成為一項緊迫的戰略性研究課題。

近年來，各國主要從事對鈦酸鋇、鈦酸鉍鈉(BNT)、鉍層狀結構以及鈮酸鹽四大類無鉛體系的研究和開發工作，同時也取得了一定的成績，但是總體上講，無鉛壓電陶瓷的性能與鉛基壓電陶瓷相比還存在較大的差距。

其中，鉍層狀無鉛壓電陶瓷是無鉛壓電材料的重要分支之一，其具有低介電常數、高居里溫度、壓電性各向異性明顯、高絕緣強度、高電阻率、低老化率等特點，適合于高溫高頻場合使用，但這類材料的壓電活性低，極化場強高。本材料是建立在MBi₂N₂O₉(M＝Sr，N＝Ta、Nb)基無鉛壓電陶瓷體系，采用摻雜改性以及工藝改進等方法提高其壓電活性，降低其極化場強，彌補其體系的一些不足，改良其壓電、介電性能，使其具有更大的應用范圍和更好的應用前景。

有項目曾經研究SrBi₂Nb_1-xTa_xO₉材料體系的鐵電性能和壓電性能，結果表明：該材料體系具有低ε_r、高Q_m和低K_p，同時Ta與Nb復合還增大了材料的C值。在此基礎上，由于Ca²⁺與Sr²⁺離子半徑相近，因此可在Sr位摻雜一定量的Ca²⁺能是晶粒內部出現位錯運動和晶界的滑移，從而有利于極化，并有可能提高其介電、壓電性能。迄今為止，還未見摻雜Ca²⁺對SrBi₂TaNbO₉壓電陶瓷材料性能和結構影響的報道。

發明內容

本發明的目的在于利用堿土金屬元素Ca對SrBi₂TaNbO₉中的Sr離子進行取代改性，降低其極化強度，提高其壓電性能，制備出一種新型的、環境友好型的鉍層狀壓電陶瓷材料。

本發明材料的組成式為Ca_xSr_1-xBi₂NbTaO₉，其中0＜x＜1。

本發明材料的制備方法如下：

(1)按上述化學配比是進行配料，原料選用碳酸鈣(CaCO₃)、碳酸鍶(SrCO₃)、氧化鉍(Bi₂O₃)、五氧化二鉭(Ta₂O₅)和五氧化二鈮(Nb₂O₅)，其最終結構為Ca_xSr_1-xBi₂NbTaO₉固溶體結構。

(2)按照上述的化學式配比稱取適量的CaCO₃、SrCO₃、Bi₂O₃、Ta₂O₅、Nb₂O₅等原料，用酒精作為球磨介質，利用行星球磨機球磨混料0.1～24小時后，出料烘干，將混合原料進行研磨，將所得粉料在0.1～60MPa的壓力條件下干壓成片，然后在800～1300℃下保溫敞開燒結0.1～4小時成瓷，升溫速率為1～10℃/min。

壓電性能的測量：燒成好的陶瓷圓片雙面平行拋光至0.5mm厚，用超聲清洗干凈后，雙面涂銀電極，在硅油中加電壓進行極化。最后在室溫下進行樣品性能的測試。

本發明的效果在于通過Ca對SrBi₂TaNbO₉中的Sr離子的部分取代改性，獲得一種相對低介電常數ε，低機電耦合系數K_p，高機械品質因數Q_m，高壓電常數d₃₃的性能較優的新型無鉛壓電陶瓷材料。

具體實施步驟