[發明專利]鐵電-反鐵電相變無鉛鐵電陶瓷材料、陶瓷元件及其制備方法

在審

• 申請號: 201410587221.3
• 申請日: 2014-10-28
• 公開（公告）號: CN104402429A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 王根水;彭巍;毛朝梁;曹菲;董顯林;陳學峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/462
• 分類號: C04B35/462;C04B35/44;C04B35/622
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

技術領域

本發明屬于鐵電陶瓷領域，涉及一種相變鐵電陶瓷，尤其涉及一種高剩余極化強度和鐵電-反鐵電(FE-AFE)相變鐵電陶瓷材料和陶瓷元件。

背景技術

鐵電陶瓷可直接用于熱電換能，脈沖放電等方面。由于具有制備方便、成本低廉、性能穩定等優點，鐵電陶瓷材料在軍用和民用領域都得到了廣泛的應用。對于鐵電陶瓷材料的應用主要集中于其鐵電-反鐵電(FE-AFE)相變。在能量存貯方面的應用主要分為兩個方面。一類是該鐵電材料存在穩定的反鐵電相，如富鋯區(Pb_1-3x/2La_x)(Zr_yTi_zSn_1-y-z)O₃(PLZST)，通過摻雜或者調節實驗參數，將能量存貯在反鐵電陶瓷材料中。另一種是該種材料存在某種不穩定的反鐵電相，如Pb(Zr₉₅Ti₅)O₃(PZT95/5)，經過某種外力的影響可以瞬間將存貯的能量釋放。

利用瞬間相變時的能量轉換，PZT95/5基的鐵電材料被廣泛應用于瞬間脈沖等領域。但鉛基材料存在一定的毒性，繼歐盟以來，世界各國逐漸禁止使用各種含鉛電子設備。對于無鉛陶瓷領域的研究已成為焦點。對于鐵電陶瓷方面，學者對于無鉛Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)基鐵電陶瓷進行了廣泛的研究，發現通過離子改性、工藝改進等各種手段，使其鐵電性能得到了提高。Tadashi?Takenaka等(Japanese?Journal?of?Applied?Physics,30,9B,(1991))制備了Bi_0.5Na_0.5TiO₃-BaTiO₃(BNT-BT)材料，并研究了其鐵電性能，加入BT后，材料的鐵電性能得到了明顯的提高，具有較大的剩余極化強度P_r，并在160℃處發生鐵電-反鐵電(FE-AFE)相變。Atsushi?Sasaki等(Japanese?Journal?of?Applied?Physics,38,9B,(1999))制備了Bi_0.5Na_0.5TiO₃-Bi_0.5K_0.5TiO₃(BNT-BKT)，獲得了較大的剩余極化強度P_r。無鉛BNT基體系中，均具有剩余極化強度較高的性能。

近幾年，研究人員發現在BNT基的基礎上加入一定量的BiAlO₃(BA)，可以提高體系的剩余極化強度(Applied?Physics?Letters,93,112902,(2008))，在BNT-BT體系中也有類似的效果(Journal?of?Electroceramics,30,82,(2013))。作為現階段應用的鐵電陶瓷，必須同時具備兩個條件：1、室溫下，具有較大的剩余極化強度P_r；2、在一定溫度下，存在鐵電-反鐵電(FE-AFE)相變。通過極化工藝，將元件極化為鐵電相，存貯能量，P_r越大，存貯的能量越大，使用時，施加一個瞬間的外力，發生鐵電-反鐵電(FE-AFE)相變，瞬間釋放能量。但是對于BNT-BA，當摻雜量大于0.09時，BNT-BA出現雜相。如摻雜量達到0.1時，出現第二相Bi₂Al₄O₉)；摻雜量低于0.1時，P_r有所提高，但是對于鐵電陶瓷瞬間脈沖放電的另一必要條件：鐵電-反鐵電相變，這方面并沒有進行研究。

發明內容

面對現有技術存在的問題，本發明的目的在于拓展一種新的FE-AFE相變型鐵電陶瓷材料，即提供一種室溫下具有較大的剩余極化強度P_r，且在一定溫度下，存在鐵電-反鐵電(FE-AFE)相變的無鉛鐵電-反鐵電(FE-AFE)鐵電陶瓷材料，以替代鉛基材料，達到綠色環保的目的。本發明在獲得了較大的剩余極化強度的同時還對鐵電-反鐵電相變進行了系統的研究，可應用于脈沖放電、儲能等領域。

在此，一方面，本發明提供一種鐵電-反鐵電相變鐵電陶瓷材料，其化學組成符合化學通式：(1-x)Bi_0.5Na_0.5TiO₃-xBiAlO₃，其中0.01≤x≤0.09。