[發明專利]無鉛反鐵電陶瓷材料及其制備方法和應用

無效

• 申請號: 201110007078.2
• 申請日: 2011-01-13
• 公開（公告）號: CN102173790A
• 公開（公告）日: 2011-09-07
• 發明（設計）人: 郭益平
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C04B35/475
• 分類號: C04B35/475;C04B35/622;G01J5/12;H01L41/187
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種傳感器和驅動器技術領域的材質及其制備，具體是一種作為熱釋電材料或應變驅動材料的無鉛反鐵電陶瓷及其制備方法和應用。

背景技術

反鐵電材料由于在高新技術中起著越來越重要的作用而成為國內外研究的熱點。比如反鐵電材料在高能存儲電容器，高應變驅動器，熱釋電傳感器，爆電換能傳感器及電致冷技術中都具有非常大的應用價值。目前主要使用的反鐵電材料為高鎬區的鎬鈦酸鉛(PZT)，特別是組成處于鐵電(FE)-反鐵電(AFE)相界附近的PZT基陶瓷材料因具有豐富的相結構，以及溫度、應力和電場等外場引起的自發極化變化而產生相變效應，因此反鐵電相與鐵電相的相界附近的成分一直是研究的熱點。并已在換能器、驅動器、儲能電容器、紅外熱釋電探測等領域得到廣泛應用。比如利用溫度誘導的鐵電-反鐵電相變可以在熱釋電探測中獲得應用，利用電場誘導的反鐵電-鐵電相變可以在高應變驅動器中獲得應用，利用應力誘導的鐵電-反鐵電相變可在爆電換能領域得到應用。

但是PZT基材料中氧化鉛約占原料總重量的60％以上，而我們知道氧化鉛是一種劇毒、且在高溫下易揮發的物質。在燒結過程中大量氧化鉛的揮發勢必造成環境的污染，直接危害人類的健康。近年來，隨著環境保護和人類社會可持續發展的需求，研發新型環境友好的功能陶瓷已成為各國致力研發的熱點之一。比如2001年歐洲議會通過了關于“電器和電子設備中限制有害物質”的法令，并定于2008年實施。為此，歐洲共同體專門立項進行關于無鉛系壓電陶瓷的研究與開發。美國、日本和我國也相繼逐年提高了對研制無鉛系壓電陶瓷項目的支持力度。

經過對現有技術的檢索發現，反鐵電材料在電場的作用由于反鐵電-鐵電相變可產生巨大的應變，但目前開發的能在室溫下使用的反鐵電材料主要為PZT基材料。另外反鐵電材料在電場的作用下可將反鐵電相誘導成鐵電相，誘導的鐵電相可以較為穩定的存在，因此在升溫時可測得一個非常大的熱釋電電流，比如(Pb，La)(Zr，Sn，Ti)O₃(PLZST)陶瓷其熱釋電系數可到達160×10^-8C?cm^-2K^-1，其值比一般鐵電熱釋電材料高兩個數量級。誘導的亞穩鐵電相在溫度升高時重新轉變成反鐵電相會引起熱釋電電流峰，這是電場和溫度共同作用的結果。而目前的無鉛Na_0.47Bi_0.47Ti_0.94-0.06BaTiO₃陶瓷在室溫下的熱釋電系數為3.6×10^-8C?cm^-2K^-1(見中國物理卷53第2357至2362頁)，無鉛相變熱釋電材料(Ba，Sr)TiO₃陶瓷的熱釋電系數為70×10^-8Ccm^-2K^-1，其值與含鉛材料的值有很大差距。

(Na_0.5Bi_0.5)TiO₃(NBT)是一種具有鈣鈦礦結構的鐵電壓電材料。其中NBT在加入BaTiO₃(BT)后，由于存在三方-四方準同型相界(BT含量為6mol％-10mol％)及能顯著降低其過大的矯頑場而備受矚目，準同型相界附近組分的陶瓷其壓電常數d₃₃可接近200pC/N，剩余極化P_r可達到38μC/cm²。該種鐵電材料存在一個退極化溫度，即鐵電-反鐵電相變溫度。對于純NBT，該退極化溫度為190℃左右，在最接近準同型相界附近的組分其退極化溫度最低，為100℃左右，然后隨著BT含量的增加，退極化溫度升高，比如對于NBT-BT85/15陶瓷，其退極化溫度為210℃左右。目前研究的NBT-BT材料其鈉鉍摩爾比(Na/Bi)都為1。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種無鉛反鐵電陶瓷及其制備方法和應用，其熱釋電系數在室溫下可達到140×10^-8Ccm^-2K^-1。其電場誘導的應變可達0.48％，電致伸縮應變可達0.23％。

本發明是通過以下技術方案實現的：