[發(fā)明專利]一種過渡金屬元素摻雜的鈮酸鉍鈣陶瓷材料及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010277247.X
• 申請日: 2010-09-09
• 公開（公告）號: CN101948310A
• 公開（公告）日: 2011-01-19
• 發(fā)明（設計）人: 沈波;陳寰貝;翟繼衛(wèi)
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495;C04B35/622
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 許亦琳;余明偉

技術領域

本發(fā)明屬于無鉛壓電材料領域，具體涉及一種過渡金屬元素摻雜的鈮酸鉍鈣陶瓷材料及其制備方法。

背景技術

壓電陶瓷作為傳感器、制動器和變頻器被廣泛的應用于工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)控、通訊、信息系統(tǒng)及醫(yī)療器械等領域。目前廣泛應用的壓電材料主要是具有鈣鈦礦結構的PZT(PbZrO₃-PbTiO₃)和PT(PbTiO₃)材料。

隨著人們對環(huán)境保護意識的日益提高，很多國家和地區(qū)對電子器件的含鉛量控制愈發(fā)嚴格，并且已經(jīng)提出了無鉛化的日程表，這就需要開發(fā)能替代PZT(PbZrO₃-PbTiO₃)和PT(PbTiO₃)的無鉛壓電陶瓷材料。現(xiàn)有的PZT(PbZrO₃-PbTiO₃)和PT(PbTiO₃)體系的居里點在490℃以下，并在接近居里點時由于退極化而無法使用，尤其在一些特殊行業(yè)，如航空航天、煉鋼等行業(yè)，需要在很高的溫度下使用壓電陶瓷材料，這時，PZT(PbZrO₃-PbTiO₃)和PT(PbTiO₃)體系的陶瓷就難以勝任，需要一種高居里點高溫穩(wěn)定性的體系來取代鉛基壓電陶瓷材料。

鉍層狀結構的陶瓷材料擁有較高的居里溫度，它是由(Bi₂O₂)²⁺層和鈣鈦礦結構的晶格層相互交替疊加而成，其通式為(Bi₂O₂)²⁺(A_m-1B_mO_3m+1)^2-，式中A為適合于12配位的大離子，如K⁺、Na⁺、Ca²⁺等，B為適合八面體配位的小離子，如Ti⁴⁺、Nb⁵⁺、Ta⁵⁺等，m＝1、2、3、4、5。鈮酸鉍鈣(化學式CaBi₂Nb₂O₉)屬于m＝2的鉍層狀結構，其居里溫度高達943℃，并擁有良好的高溫穩(wěn)定性，其壓電性能在達到居里點時才退極化，在高溫領域有很好的應用前景。但是這種未經(jīng)摻雜改性的鈮酸鉍鈣陶瓷的壓電性能較差，其d₃₃只有6pC/N，離實際應用還有一定的距離。Haixue?Yan等人通過等離子體燒結的方法對鈮酸鉍鈣陶瓷進行了織構化，使d₃₃提高到了19pC/N[Haixue?Yan，Hongtao?Zhang，Rick?Ubic，Michael?JReece，Jing?Liu，Zhijian?Shen，Zhen?Zhang.A?lead-Free?High-Curie-Piont?FerroelectricCeramic?CaBi2NbO9.ADVANVED?MATERIALS，2005，17，1261-1265.]，但是等離子體燒結成本高，工藝復雜且不適合大批量的工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種過渡金屬元素摻雜的鈮酸鉍鈣陶瓷材料及其制備方法，以克服現(xiàn)有技術中未摻雜改性的鈮酸鉍鈣陶瓷材料的不足，所述過渡金屬元素摻雜的鈮酸鉍鈣陶瓷材料不僅具有900℃以上的居里溫度和高溫穩(wěn)定性，而且具有良好的壓電性能。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的技術方案：

一種過渡金屬元素摻雜的鈮酸鉍鈣陶瓷材料，其化學成分符合化學通式Ca_1-xA_xBi₂Nb₂O₉，其中，A選自過渡金屬元素Fe、Mn或Co；x的取值范圍為0.01≤x≤0.2。

優(yōu)選的，x＝0.05。

所述化學通式中元素右下角部分代表摩爾比。

一種過渡金屬元素摻雜的鈮酸鉍鈣陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟：

1)按照化學通式Ca_1-xA_xBi₂Nb₂O₉中Ca、Bi、Nb和A的化學計量比稱取原料：CaCO₃粉體、Bi₂O₃粉體、Nb₂O₅粉體，以及A的氧化物或碳酸鹽，其中0.01≤x≤0.2。