[發(fā)明專利]一種鐵酸鉍-鈦酸鋇復(fù)合壓電陶瓷的制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010186835.6
• 申請日: 2020-03-17
• 公開（公告）號: CN111362690A
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃謙;王海旺;陳帥甫;侯安然;傅渭杰;彭濤;王冠琦;李元銘;鄧寧;孫玉龍
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)秦皇島分校
• 主分類號: C04B35/468
• 分類號: C04B35/468;C04B35/626;C04B41/88
• 代理公司: 沈陽優(yōu)普達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發(fā)明涉及壓電陶瓷領(lǐng)域，具體為一種鐵酸鉍?鈦酸鋇復(fù)合壓電陶瓷的制備方法。采用機(jī)械合金化結(jié)合固相反應(yīng)法制備鐵酸鉍?鈦酸鋇復(fù)合壓電陶瓷，其流程如下：機(jī)械合金化處理→配料→一次球磨→壓片預(yù)燒→二次球磨→造粒→壓片成型→排膠→燒結(jié)→燒制電極→極化→測試。本發(fā)明通過預(yù)先機(jī)械合金化破壞了氧化鐵、氧化鉍和氧化錳的晶體結(jié)構(gòu)，使得元素實(shí)現(xiàn)原子級別的混合，形成Bi?O?Fe(Mn)非晶化合物抑制了燒結(jié)過程中氧化鉍的大量揮發(fā)。而且機(jī)械合金化會產(chǎn)生更多缺陷能，可以實(shí)現(xiàn)降低固相反應(yīng)燒結(jié)溫度，縮短反應(yīng)時間的效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及壓電陶瓷領(lǐng)域，具體為一種鐵酸鉍-鈦酸鋇復(fù)合壓電陶瓷的制備方法。

背景技術(shù)

隨著原子能、航空航天、汽車、冶金和石油化工等領(lǐng)域的發(fā)展，對設(shè)備的使用環(huán)境提出了更為苛刻的要求，其中高溫環(huán)境下能穩(wěn)定工作的壓電陶瓷電子元器件作為電器的重要組成部分被廣泛研究。首先，現(xiàn)階段仍然大量存在鋯鈦酸鉛、鈦酸鉛、偏鈮酸鉛等含鉛鐵電壓電陶瓷，盡管價格低廉，壓電活性較好，但存在著易粉碎，分散性大，重復(fù)性差，在燒結(jié)后或極化處理時易于破碎，且原材料對環(huán)境造成污染等多方面問題。此外，其制備成本高，制備工藝也不環(huán)保，盡管人們意圖通過摻雜改性以改良這一現(xiàn)狀，但卻又導(dǎo)致其居里溫度下降(居里溫度：指磁性材料中自發(fā)磁化強(qiáng)度降到零時的溫度)鐵磁性會在高溫下大打折扣，這意味著該種陶瓷很難勝任在嚴(yán)苛環(huán)境條件下的工作，且壓電系數(shù)也不高，同樣限制了其使用范圍。因此，人們開始嘗試制備性能更好，工作溫度更高，低污染低能耗的無鉛壓電陶瓷。

目前，無鉛系壓電陶瓷電子元器件采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法制備，其中因?yàn)樽吭降膲弘娦阅芎蜔o毒環(huán)保的特性，在同類產(chǎn)品中最被看好的是鐵酸鉍-鈦酸鋇體系。制造該種陶瓷一般以BaTiO₃/Bi₂O₃/Fe₂O₃和BaCO₃/TiO₂/Bi₂O₃/Fe₂O₃為原料。按一定比例放入尼龍球磨罐內(nèi)，以無水乙醇為分散劑和剛玉球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，在普通球磨機(jī)上球磨12h。然后將球磨后的粉漿在80℃烘箱內(nèi)烘干，在80℃下焙燒6h。將焙燒后的粉體再一次放入球磨罐內(nèi)球磨12h，烘干，加入PVA壓片，600℃下排膠2h，隨爐冷卻至室溫，然后在1020℃下燒結(jié)保溫3h(升溫速率5℃/min)，燒結(jié)結(jié)束后，隨爐冷卻至室溫。用SiC砂紙將燒成后的陶瓷的上下表面進(jìn)行打磨，拋光，并均勻涂敷銀漿，在600℃下保溫20min燒銀電極，并進(jìn)行電學(xué)性能測試。

事實(shí)上，該方法仍存在一定的缺陷。1、對原材料顆粒粒徑要求較高，且所需原材料較多。若元素分布不均將形成較多雜相，產(chǎn)品的相關(guān)性能(如：介電常數(shù)、壓電系數(shù))難以達(dá)到預(yù)期。2、該方法中采用的原料是氧化鉍，而在高溫?zé)Y(jié)下氧化鉍易揮發(fā)，導(dǎo)致反應(yīng)物中Bi元素含量下降，致使產(chǎn)物的壓電性能和其他參數(shù)受到影響，難以得到預(yù)期的壓電陶瓷產(chǎn)品。3、傳統(tǒng)固相反應(yīng)法所應(yīng)用的原料，不能實(shí)現(xiàn)原子級別的混合，致使隨后的固溶擴(kuò)散耗時增加，因此整體的制備時間長，制備能耗高，導(dǎo)致成本偏高阻礙無鉛陶瓷的批量化生產(chǎn)。

傳統(tǒng)固相反應(yīng)法結(jié)合水淬冷，該工藝制作出的物質(zhì)顆粒大，成品雜項(xiàng)較多，制備流程耗能過高，且制作工藝繁瑣，耗時長。在相當(dāng)高的溫度下，Bi元素極易揮發(fā)。最終得到的成品機(jī)械穩(wěn)定性低，容易產(chǎn)生裂痕，而且可能還存在漏電流過大，壓電性能差的缺點(diǎn)。關(guān)于鐵酸鉍與鈦酸鋇進(jìn)行復(fù)合的設(shè)計方案也非僅此一種，但其他方案操作相對復(fù)雜且難以批量進(jìn)行生產(chǎn)。

溶膠凝膠法是方法之一，但是制備過程中會產(chǎn)生NO₂，易對環(huán)境產(chǎn)生污染，而且操作流程相對于其他方法復(fù)雜繁瑣，耗時長，難以進(jìn)行工業(yè)化量產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種鐵酸鉍-鈦酸鋇復(fù)合壓電陶瓷的制備方法，為了解決現(xiàn)有技術(shù)在制備和運(yùn)用中暴露出來的“能耗高、制備難度大、性能差、污染重”的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：