[發明專利]一種大壓電各向異性無鉛壓電陶瓷材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201710301047.5
• 申請日: 2017-05-02
• 公開（公告）號: CN107032784A
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發明（設計）人: 曾衛東;周昌榮;黎清寧;許積文;楊玲;袁昌來;陳國華
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: C04B35/462
• 分類號: C04B35/462;C04B35/45
• 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: 楊雪梅

技術領域

本發明涉及換能器領域應用的無鉛壓電陶瓷材料，具體是一種ABO₃型鈣鈦礦結構、鈦酸鉍鈉(BNT)基的大壓電各向異性無鉛壓電陶瓷材料及其制備方法。

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，對壓電換能器所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。實現高性能壓電換能器的關鍵是開發壓電性能優良及高各向異性的壓電陶瓷材料，雖然PbTiO₃基陶瓷具有很強的壓電各向異性k_t/k_p，但存在以下問題：(1)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；(2)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；(3) Pb含量高，會給人類和生態環境帶來嚴重的危害。因此，研究高性能、大壓電各向異性無鉛壓電陶瓷非常重要。目前BNT基無鉛陶瓷的優良壓電性能、電場誘導巨應變，高儲能性能都有報道，但是具有大壓電各向異性的BNT基陶瓷還很少見到報道。

發明內容

本發明的目的是提供一種ABO₃型鈣鈦礦結構、鈦酸鉍鈉(BNT)基的具有大壓電各向異性、環境友好型、穩定性好、壓電性能好的新型無鉛壓電陶瓷及其制備方法。

本發明一種大壓電各向異性無鉛壓電陶瓷材料，配方為：

0.94Bi_1/2Na_1/2Ti_0.85(Cu_1/3Ta_2/3)_0.15O₃-0.06LiBiO₃ ；

通過LiBiO₃的輔助燒結，結合Bi的變價，在A位與B位出現相同元素的不同價態Bi³⁺/ Bi⁵⁺，誘導出現特殊的同素異價A/B位離子有序態(Bi³⁺與Bi⁵⁺分別進入A位與B位)，結合交直流極化工藝，產生特殊的大壓電各向異性。

上述大壓電各向異性無鉛壓電陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟：

（1）以分析純Bi₂O₃、Na₂CO₃、Ta₂O₅、CuO和TiO₂為原料，按照化學式Bi_1/2Na_1/2Ti_0.85(Cu_1/3Ta_2/3)_0.15O₃進行配料，混合均勻；

（2）將混合均勻的原料裝入球磨罐中，以氧化鋯為磨球、無水乙醇為介質球磨16小時，分離磨球，烘干；烘干后的粉料壓制成大塊坯體，在高鋁坩堝中于880℃保溫2小時合成主晶相；

（3）將合成的主晶相粉碎后與分析純Bi₂O_3、Li₂CO₃，按照0.94Bi_1/2Na_1/2Ti_0.85 (Cu_1/3Ta_2/3)_0.15O₃-0.06LiBiO₃進行配料，混合均勻；

（4）將步驟（3）混合均勻的原料進行二次球磨，球磨20小時，烘干；烘干后的粉料壓制成大塊坯體，再在高鋁坩堝中于780℃保溫2小時合成主晶相；

（5）將步驟（4）合成主晶相粉碎后進行第三次球磨，球磨24小時，烘干，加入原料質量5%PVA溶液造粒；

（6）造粒后在鋼模中于150MPa下壓制成型；

（7）成型的原料在1050℃保溫2小時燒結成瓷，兩面鍍銀電極；