[發明專利]一種具有壓電增強結構的含鉍壓電材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201410735030.7
• 申請日: 2014-12-05
• 公開（公告）號: CN104446451A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 初寶進;周萬豐
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: C04B35/475
• 分類號: C04B35/475;C04B35/622
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 何梅生

技術領域

本發明涉及壓電功能材料領域，特別是涉及一種可以增強組分中含有鉍元素的壓電材料表觀壓電性能的結構和制備工藝。

背景技術

壓電材料可以實現機械能和電能之間的相互轉換，可廣泛地應用于傳感器、換能器、驅動器以及機械能量回收等器件，在國防和民用領域有著十分重要的應用。

壓電效應可表述為正壓電效應和逆壓電效應，其表達式分別為：

P＝dX?(正壓電效應)

x＝dE?(逆壓電效應)

式中，P為材料在應力X下的極化響應；x為電場E作用下的應變響應，d為材料的壓電系數。

由于具有良好的壓電性能，目前廣泛應用的壓電材料主要為以鈣鈦礦相的Pb(Zr,Ti)O₃(PZT)為基的陶瓷材料；基于PZT，可以通過對A位或者B位陽離子進行摻雜或取代，或者與其它組分進行固溶，獲得壓電性能可調的陶瓷材料。然而，雖然鉛基材料具有優異的壓電性能，但是材料中含有大量的鉛，對人類健康和環境具有潛在的威脅。因此研發可替代現有的鉛基材料的無鉛壓電材料成為近十幾年壓電陶瓷研究領域的一個熱點。然而，目前獲得的無鉛壓電材料的性能仍然難于與鉛基材料媲美，而且通過調整材料的化學成分的方法來提高無鉛壓電材料的性能遇到了瓶頸。因而，是否可以通過其他一些方法來提高現有的無鉛壓電材料壓電性能是一個值得研究的課題。

在目前研究的無鉛壓電材料中，有一類材料的特征是組分中含有鉍元素，比如具有鈣鈦礦結構的Na_1/2Bi_1/2TiO₃、K_1/2Bi_1/2TiO₃、BiFeO₃等材料和一些具有鉍層狀類鈣鈦礦結構的材料，以及這些材料與其它材料形成的固溶體。研究結果表明，鉍元素以化合物和單質的形式出現對人體基本是無害的，因而含鉍的無鉛壓電材料是一類環保的材料。然而這類材料的缺點是材料的壓電性能比較低，比如其d₃₃一般在200pC/N以下，遠低于鉛基的壓電材料。

發明內容

本發明的目的是解決無鉛的含鉍壓電材料壓電性能比較低的問題，提出一種針對含鉍壓電材料的還原工藝，使得材料產生拱形或彎曲結構，從而能夠大幅度提高含鉍壓電材料的表觀壓電性能。

本發明解決技術問題，采用如下技術方案：

本發明公開了可以增強壓電材料表觀壓電性能的壓電增強結構，其特點在于：所述壓電增強結構是對有兩個相對表面的壓電單晶材料或壓電陶瓷材料的一面進行化學還原，從而形成的由于預應力產生的向還原表面拱起或彎曲的結構。

本發明還公開了具有壓電增強結構的含鉍壓電材料，其特點在于：所述具有壓電增強結構的含鉍壓電材料是指通過將含鉍壓電材料進行單面還原，含鉍壓電材料被還原一面的鉍元素還原成金屬鉍，使得含鉍壓電材料中產生預應力，含鉍壓電材料由未還原一面向還原一面彎曲，從而形成的彎曲結構或拱形結構的含鉍壓電材料。

所述含鉍壓電材料呈方片狀、圓片狀、長條狀或具有兩個表面的無規則形狀。

在具有壓電增強結構的含鉍壓電材料的兩面形成有導電金屬電極，且形成金屬電極后的含鉍壓電材料通過施加電場進行了極化，使形成金屬電極后的含鉍壓電材料具有壓電性能。

本發明還公開了上述具有壓電增強結構的含鉍壓電材料的制備方法，其特點在于：將含鉍壓電材料的一面與還原劑接觸，并在不低于500℃的條件下熱處理，使得所述含鉍壓電材料單面還原，取出并在空氣中自然冷卻至室溫，使得含鉍壓電材料由未還原一面向還原一面彎曲，從而形成彎曲結構或拱形結構，即得具有壓電增強結構的含鉍壓電材料。

所述還原劑為石墨、氫氣、一氧化碳、氮氣或惰性氣體。

典型的，所述具有壓電增強結構的含鉍壓電材料按如下步驟進行制備：將表面經過磨平處理的石墨塊放置在氧化鋁基板上，然后將表面經磨平處理的含鉍壓電材料放置于所述石墨塊上，再在所述含鉍壓電材料上壓覆氧化鋁蓋板或氧化鋯蓋板，使得所述含鉍壓電材料的一面與所述石墨塊緊密接觸，獲得疊合體系；將所述疊合體系在600-900℃的溫度下熱處理5分鐘-24小時，取出后自然冷卻至室溫，使得含鉍壓電材料由未還原一面向還原一面彎曲，形成彎曲結構或拱形結構，即得具有壓電增強結構含鉍壓電材料。