[發明專利]具有負電卡效應的鈦酸鉍基鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷及其制備方法

有效

• 申請號: 202110906581.5
• 申請日: 2021-08-09
• 公開（公告）號: CN113683410B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 董顯林;謝新春;周志勇
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/475
• 分類號: C04B35/475;C04B35/622
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明公開一種具有負電卡效應的鈦酸鉍基鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷及其制備方法。所述鈦酸鉍基鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷的化學組成為Bi_4?xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂，其中0＜x≤0.07。所述鈦酸鉍基鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷具有工作溫區寬和負電卡效應大的特點，在制備、使用和廢棄過程中對生態環境和人類健康不會造成危害，適用于未來微型致冷器的開發。

技術領域

本發明屬于電子功能材料與器件技術領域，具體涉及一種具有負電卡效應的鈦酸鉍基鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷及其制備方法。

背景技術

制冷技術在日常生活和工業生產中不可或缺。傳統制冷技術多以氟利昂為媒介制冷劑，在該制冷過程中整個循環為蒸汽壓縮過程。基于電卡效應的可逆絕熱溫變性制得的固態制冷器件，具有高效率、小體積、方便使用、有益環保等優勢。據此，電卡效應固態制冷有望取代高能耗的制冷技術以大幅提高制冷循環的工作效率，還可以減少對環境的破壞，更加符合友好型生態理念。

2006年Mischenko A,Zhang Q,Scott J等人在PbZr_0.95Ti_0.05O₃薄膜中發現巨大的電卡效應(Science,2006,311(5765):1270-1271)。但是薄膜材料的極小厚度與體積以及制備薄膜過程附加的基片對固態制冷器件的應用設計帶來非常大的局限。與薄膜材料相比，塊體材料可以更好地應用到中大型制冷設備方面。

當前負電卡效應的研究主要集中在含鉛膜上，然而，鉛揮發使得鉛基材料在制備、使用和廢棄過程中對生態環境和人類健康造成嚴重危害。且含鉛膜的制備對周邊環境的要求很高。因此含鉛膜的應用已經逐步受到限制。研制無鉛鐵負電卡效應陶瓷、尋找環境友好和工作溫區寬的電卡材料是關系到我國電子技術可持續發展的緊迫任務之一，具有十分重要的意義。

發明內容

本發明的技術目的在于提供一種環保、無危害的具有負電卡效應的鈦酸鉍基鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷及其制備方法，所述鈦酸鉍基鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷具有工作溫區寬和負電卡效應大的特點，在制備、使用和廢棄過程中對生態環境和人類健康不會造成危害，適用于未來微型致冷器的開發。

第一方面，本發明提供一種具有負電卡效應的鈦酸鉍基鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷。所述鈦酸鉍基鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷的化學組成為Bi_4-xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂。x指的是鈰的摩爾百分比。其中，0＜x≤0.07。x大于0.07時無鉛壓電陶瓷會產生極大的漏電流，導致負電卡效應被掩蓋。

較佳地，所述鈦酸鉍基鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷于50-100kV/cm的電場強度下在30-150℃的溫度區間內具有負電卡效應。一些技術方案中，所述鈦酸鉍基鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷于50-100kV/cm的電場強度下在30-150℃的溫度區間內的負電卡溫變△T為-0.01至-1.0K。

較佳地，0.03≤x≤0.06。在該范圍內所述鈦酸鉍基鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷具有較高的負電卡溫變。

第二方面，本發明提供上述任一項所述的具有負電卡效應的鈦酸鉍基鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷的制備方法。所述制備方法包括以下步驟：

步驟(1)按照鈦酸鉍基鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷的化學計量比稱取Bi₂O₃、TiO₂、WO₃、Nb₂O₅、CeO₂以作為原料；