[發(fā)明專利]一種(Bi1/2

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711072282.6
• 申請(qǐng)日: 2017-11-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107892567B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-12-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱滿康;郭志華;位秋梅;趙海燕;鄭木鵬;侯育冬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C04B35/475
• 分類號(hào): C04B35/475;C04B35/622
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種(Bi_1/2K_1/2)TiO₃基二元無(wú)鉛壓電陶瓷及其制備，屬于壓電陶瓷領(lǐng)域。所用的原料為Bi₂O₃,K₂CO₃,TiO₂,Sb₂O₃和MnCO₃，實(shí)現(xiàn)了無(wú)鉛陶瓷的制備。該體系在800?900℃進(jìn)行煅燒，1040?1070℃進(jìn)行燒結(jié)Bi(Mg_2/3Sb_1/3)O₃的加入，成功了提高了KBT的壓電性能，在準(zhǔn)同型相界(MPB)x＝1.5％附近，退極化溫度T_d＝200℃，d₃₃＝104pC/N。在傳感器，致動(dòng)器,濾波器等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于壓電陶瓷領(lǐng)域，涉及一種具有高居里溫度和壓電性能的新型 (Bi_1/2K_1/2)TiO₃基二元無(wú)鉛壓電陶瓷及制備方法。

技術(shù)背景

壓電陶瓷是一種能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。與壓電單晶材料相比，具有機(jī)電耦合系數(shù)高，壓電性能可調(diào)節(jié)性好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于制備且能制得各種形狀、尺寸和任意極化方向的產(chǎn)品，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于通信、傳感以及航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域。

然而，目前所使用的壓電陶瓷體系主要是鉛基壓電陶瓷，其PbO(或Pb₃O₄) 的含量約占原料總質(zhì)量的70％左右。PbO、Pb₃O₄等含鉛化合物在高溫時(shí)的揮發(fā)性，使其在陶瓷生產(chǎn)、使用及廢棄過(guò)程中都會(huì)對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境造成很大的危害。對(duì)含鉛陶瓷器件回收實(shí)施無(wú)公害處理，所需成本會(huì)很高。因此，研制和開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境友好的無(wú)鉛壓電陶瓷成為一項(xiàng)緊迫且具有重大實(shí)用意義的課題。

KBT，即(K_1/2Bi_1/2)TiO₃，室溫下為四方相，是一種A位離子復(fù)合ABO₃型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料，是目前無(wú)鉛壓電材料體系中的研究熱點(diǎn)之一。KBT全配位時(shí)配位數(shù)A:B:O＝12:6:6，A位由K⁺、Bi³⁺以1:1的比例共同占據(jù)，Ti⁴⁺位于氧八面體中心的B位。在KBT中起極化作用的可動(dòng)離子有兩個(gè)，一個(gè)是B位的Ti⁴⁺，一個(gè)是A位的Bi³⁺。Ti⁴⁺的外層3d軌道和相鄰的O^2-離子2p軌道發(fā)生雜化，形成Ti-O 正八面體。正八面體通過(guò)John-Teller效應(yīng)發(fā)生畸變，導(dǎo)致自發(fā)雙極子電矩的產(chǎn)生，是使KBT具有鐵電性的主要因素。此外，Bi³⁺具有與Pb²⁺相同的外層電子結(jié)構(gòu)，其外層的6s軌道中的孤立電子對(duì)，易與十四面體的氧離子形成非對(duì)稱共價(jià)鍵，起到穩(wěn)定鐵電性、增大電子位移極化率的作用，是KBT具有具有鐵電性的另一個(gè)因素。而B(niǎo)i_1/2Na_1/2TiO₃，結(jié)構(gòu)與KBT相似，也是一種A位離子復(fù)合ABO₃型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電材料。它具有大的剩余極化強(qiáng)度(P_r＝37μC/cm²)和高的矯頑場(chǎng)(E_c＝7.3 kV/mm)。但單純NBT陶瓷的極化十分困難，且存在退極化溫度，這就限制了它的應(yīng)用。與NBT相比，KBT有更高的居里溫度(T_C＝380℃)和較低的矯頑場(chǎng) (E_c＝1.5kV/mm)，因此，KBT壓電陶瓷具有更寬的溫度使用區(qū)間和較低的極化難度，具有更廣闊的應(yīng)用前景。