[發明專利]一種鈣鈦礦陶瓷材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202110012512.X
• 申請日: 2021-01-06
• 公開（公告）號: CN112759385B
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發明（設計）人: 何祥;易志國;龍佩青
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: C04B35/468
• 分類號: C04B35/468;C04B35/622;H01L41/187;H01L41/43
• 代理公司: 北京元周律知識產權代理有限公司 11540
• 代理人: 張琦

本申請公開了一種鈣鈦礦陶瓷材料及其制備方法與應用，所述鈣鈦礦陶瓷材料選自具有式Ⅰ所示化學式的物質中的至少一種；其中，x的取值范圍為x0。所述鈣鈦礦陶瓷材料為S元素摻雜的BaTiO₃陶瓷材料，所述鈣鈦礦陶瓷材料具有良好的電致應變性能，具有良好的作為壓電材料和/或鐵電材料的應用前景。

技術領域

本申請涉及一種鈣鈦礦陶瓷材料及其制備方法與應用，屬于陶瓷材料技術領域。

背景技術

壓電效應，作為一種機電耦合效應，能夠實現電能和機械能之間的相互轉化。目前利用壓電效應，已經可以制成驅動器、換能器、傳感器、微位移裝置、以及超聲馬達等器件。其中就壓電驅動器每年有百億美元的市場。但是從材料的角度來看，目前市場上的壓電驅動器材料以鋯鈦酸鉛壓電陶瓷為主。而鉛元素會引發嚴重的環境和健康問題，含鉛材料的使用已經受到相關國際條例的限制。因此，尋找高性能和低毒性的無鉛壓電材料替代傳統的鋯鈦酸鉛陶瓷就成了當務之急。

目前，研究較多的無鉛壓電材料主要有鈣鈦礦結構，鈦鐵礦結構，鉍層狀結構以及鎢青銅結構。而性能優異的壓電材料基本以鈣鈦礦結構為主。鈣鈦礦結構的化學通式為ABO₃，其中A和B是兩種不同尺寸的金屬陽離子，O為氧離子。為了增強無鉛鈣鈦礦壓電陶瓷的電致應變性能，最常用的方法有兩種。其一是通過不同鈣鈦礦結構的固溶效應增強樣品的應變輸出。其二是通過異質金屬元素摻雜，提升電致應變輸出。

其中元素摻雜是提升電子功能陶瓷性能的傳統方法。此法的優點是技術簡單，工藝成熟。它的基本思路是利用其他金屬元素對鈣鈦礦的A位或者B位進行摻雜。當然鈣鈦礦壓電陶瓷的氧位也能進行摻雜處理。文獻“Enhanced Ferroelectric Properties ofNitrogen-Doped Bi₄Ti₃O₁₂ Thin Films, H.Irie,et al.Adv.Mater.17(2005)”中采用氮摻雜了Bi₄Ti₃O₁₂薄膜材料，其剩余極化是未摻雜樣品的兩倍。文獻“Optical,electrical,and photoelectric properties of nitrogen-doped perovskite ferroelectricBaTiO₃ ceramics,P.Long, et al.J.Am.Ceram.Soc.102(2019)”中采用氮摻雜了BaTiO₃陶瓷材料，其應變輸出可達0.8％。

但是氧位摻雜氮元素也存在一定的挑戰性，因為氮摻雜勢必會導致樣品的漏導增加，從而降低樣品的鐵電性能。如果摻雜與氧同一主族的硫元素，漏導問題也許會得到解決，在保持鐵電性的同時增大樣品的應變輸出。

發明內容

根據本申請的一個方面，提供一種鈣鈦礦陶瓷材料，所述鈣鈦礦陶瓷材料為S元素摻雜的BaTiO₃陶瓷材料，所述鈣鈦礦陶瓷材料具有良好的電致應變性能，具有良好的作為壓電材料和/或鐵電材料的應用前景。

一種鈣鈦礦陶瓷材料，所述鈣鈦礦陶瓷材料選自具有式Ⅰ所示化學式的物質中的至少一種；

BaTiO_3-xS_x式I

其中，x的取值范圍為x0。

可選地，所述x的取值范圍為0x2.93。

可選地，所述x的取值范圍上限選自0.05、0.1、0.12、0.14、0.2、0.5、 1、1.5、2、2.5或2.93；所述x的取值范圍下限選自0.01、0.05、0.1、0.12、 0.14、0.2、0.5、1、1.5、2或2.5。

可選地，所述鈣鈦礦陶瓷材料屬于四方晶系。