[發明專利]一種反常壓電各向異性無鉛壓電陶瓷及其織構化制備方法

有效

• 申請號: 201310702273.6
• 申請日: 2013-12-19
• 公開（公告）號: CN103708829A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 周昌榮;楊濤;周秀娟;楊華斌;周沁;陳國華;袁昌來;馬家峰;楊云
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: C04B35/475
• 分類號: C04B35/475;C04B35/622
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 滕杰鋒

技術領域

本發明涉及壓電陶瓷材料，具體是一種反常壓電各向異性無鉛壓電陶瓷及其織構化制備方法。

背景技術

壓電換能器廣泛應用于超聲醫療診斷、工業無損檢測、水聽器及變壓器等諸多領域。隨著超聲技術領域的快速發展，對壓電換能器用材料的性能提出了更高的要求，要求盡可能高的厚度機電耦合系數k_t與壓電各向異性k_t/k_p，使換能器與媒介之間充分耦合而無寄生模式干擾，能量更集中于厚度模式，靈敏度與分辨率高，器件更加小型化。

長期以來，傳統的壓電陶瓷是鉛基陶瓷，但這類材料的鉛含量較高，會污染環境,?給生物和人類健康帶來很大危害。同時這些含鉛壓電陶瓷在制備、使用及廢棄后處理過程中都會給環境和人類健康帶來很大的損害。近年來，越來越多的國家與地區開始實施有關對鉛進行限制使用的法令。同時，為了保護地球和人類的生存空間，阻止環境的污染，開發性能優良的無鉛壓電陶瓷己成為世界各國致力研發的熱點材料之一。

另一方面，雖然PbTiO₃基陶瓷具有很強的壓電各向異性k_t/k_p，但在冷卻過程中發生立方至四方相變，容易產生微裂紋，老化性能差；并且固有的結構各向異性很大，在制備大尺寸材料和極化過程中存在困難。

在研究的無鉛壓電陶瓷材料中，鈦酸鉍鈉(Bi_1/2Na_1/2)TiO₃(簡稱BNT)具有居里溫度高(T_c=320℃)，室溫下剩余極化大(P_r=38?μC/cm²)等優點，被認為是最有希望取代鉛基壓電材料的無鉛壓電材料之一。單從壓電性能來看，目前研發的BNT基陶瓷遠遠低于廣泛應用的Pb(Zr,?Ti)O₃(PZT)基陶瓷，實際應用較困難。

BNT基陶瓷的研究主要集中在制備方法、工藝優化和引入其它鐵電體進行A位B位取代以及稀土元素摻雜來提高壓電性能方面。迄今為止，對BNT基陶瓷壓電各向異性的研究未見報道。采用晶粒定向技術使陶瓷晶粒織構化，增大其物理性能的各向異性程度，性能可以比晶粒自由生長陶瓷大幅提高。晶粒定向技術包括熱處理技術(熱壓、熱鍛)、模板晶粒生長技術(TGG)、反應模板生長技術(RTGG)與多層晶粒生長技術(MLGG)等。適合鈣鈦礦結構壓電陶瓷晶粒定向生長技術有模板晶粒生長技術和反應模板生長技術。但是模板和反應模板晶粒生長技術需要制備模板晶粒，制備過程復雜，周期長，成本較高，不利用工業化推廣應用。

發明內容

本發明的目的是要提供一種反常壓電各向異性無鉛壓電陶瓷及其織構化制備方法，這種無鉛壓電陶瓷采用高壓成型，采用普通燒結方法就可以制備織構化陶瓷，易于制備、成本低廉、壓電性能各向異性大，在換能器使用時可避免其它振動的干擾，能量更集中，靈敏度與分辨率高，能夠部分取代鉛基壓電陶瓷在壓電換能領域的應用。

實現本發明目的的技術方案是：

一種反常壓電各向異性無鉛壓電陶瓷，其組成通式為(Bi_1/2Na_1/2)TiO₃+x(Nb₂O_5?+CeO₂)，x為摩爾分數，0.005<x<0.1，Nb₂O_5?與CeO₂含量比值(摩爾比值)Nb₂O_5?/CeO₂=0.1-10。

本發明反常壓電各向異性無鉛壓電陶瓷的織構化制備方法，包括配料、成型、燒結，與現有技術不同的是：

（1）采用高壓柱體成型法壓成柱狀坯體；

（2）燒結后切割成薄片。

所述的切割是沿垂直壓力軸方向進行切割。

所述的高壓柱體成型法的壓力>200Mpa，柱體高徑比H/D>1。