[發明專利]一種大應變小遲滯的鈦酸鉍鈉基無鉛陶瓷及其制備方法

在審

• 申請號: 201710898077.9
• 申請日: 2017-09-28
• 公開（公告）號: CN107651958A
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: 張海波;范鵬元;張小明;朱義為;馬偉剛;謝兵
• 申請（專利權）人: 華中科技大學;武漢華陶創新科技有限公司;深圳華中科技大學研究院
• 主分類號: C04B35/475
• 分類號: C04B35/475;C04B35/622
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 曹葆青,李智

技術領域

本發明屬于無鉛壓電材料相關技術領域，更具體地，涉及一種大應變小遲滯的鈦酸鉍鈉基無鉛陶瓷及其制備方法。

背景技術

半個多世紀以來，以鋯鈦酸鉛PZT為代表的傳統壓電材料憑借其優異的壓電與機電耦合性能，在驅動器、換能器、傳感器等領域一直占據著主導地位。但是PZT的合成原料中PbO(或Pb3O4)質量約占60％-70％，其揮發溫度低，在燒結過程中易揮發，這既影響了PZT陶瓷的性能，又會對人體與周圍環境構成巨大威脅，并且此類壓電材料的電致應變值不高，在0.15％左右，不能滿足多層壓電致動器對大應變的需求。因此，開發出環境友好型的大應變無鉛壓電材料替代傳統鉛基壓電材料已成為一項既緊迫又重要的任務。

Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)基無鉛壓電陶瓷具有很高的剩余極化強度(P_r＝38μC/cm²)、較大的機電耦合系數(k_t＝40％～50％)和較高的居里溫度(320℃)，被認為是最有望取代含鉛壓電陶瓷的候選體系之一。然而，純的BNT陶瓷存在室溫下壓電性能一般、矯頑場大、漏電流較大、合成溫區相對比較窄及燒制過程中原料容易揮發等不足，為了提高壓電性能，人們通過摻雜改性發展了二元、三元的BNT基體系。

最近研究表明，(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-(Bi_0.5K_0.5)TiO₃(BNT-BKT)基壓電材料在準同型相界(MPB)附近具有良好的壓電性能。為了替代傳統多層壓電致動器中的鉛基壓電材料，德國學者Seifert圍繞MPB組分的BNT-BKT，在0.8BNT-0.2BKT的基礎上引入K_0.5Na_0.5NbO₃(KNN)，構建了BNT–BKT–KNN(BNKNT100x)三元體系，發現大大提高了BNT-BKT的電致應變特性，其原理是BNT–BKT–KNN中存在大量弛豫態的極性納米微區(polar nanoregions)，在施加電場后可以轉變為具有宏疇的鐵電態，電場撤除后又恢復到原弛豫態。通過摻雜優化后的BNT-BKT，其場致應變S在x＝0.01處取得最大值0.48％，相應的等效壓電常數d*₃₃＝S_max/E_max為600pm/V，但是此類大應變無鉛陶瓷的應變遲滯η(描述應變滯后的程度)一般大于40％，如此會嚴重降低壓電致動系統的定位精度，所以至今未實用化。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種大應變小遲滯的鈦酸鉍鈉基無鉛陶瓷及其制備方法，其基于現有壓電材料的工作特點，研究及設計了一種遲滯較小的大應變小遲滯的鈦酸鉍鈉基無鉛陶瓷及其制備方法。本發明提供的大應變小遲滯的鈦酸鉍鈉基無鉛陶瓷的化學式為Bi_1/2(Na_0.82K_0.18)_1/2Ti_1-x(Fe_0.5Nb_0.5)_xO₃，其中，x＝0.01～0.05，采用(Fe_0.5Nb_0.5)⁴⁺離子替換了BNT-BKT中部分Ti⁴⁺離子，在提高了BNT-BKT基無鉛陶瓷場致應變的同時，還有效減小了應變遲滯，使大應變無鉛陶瓷材料的應用成為可能，非常適合于制造大應變多層無鉛壓電致動器，有利于提高了壓電致動系統的精度。此外，本發明提供的采用(Fe_0.5Nb_0.5)⁴⁺離子摻雜改性的BNT-BKT基陶瓷，可將無鉛陶瓷的應變遲滯從50％以上有效減小到23％，從而有效提高大應變多層無鉛壓電致動器的位移精度，同時擁有0.34％的大應變。