[發明專利]一種鉿酸鉛反鐵電陶瓷材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202111572669.4
• 申請日: 2021-12-21
• 公開（公告）號: CN114149261B
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發明（設計）人: 劉增輝;萬紅艷;李璟睿;楊豪;任巍;葉作光
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C04B35/48
• 分類號: C04B35/48;C04B35/64
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 房鑫

本發明公開了一種鉿酸鉛反鐵電陶瓷材料及其制備方法。本發明的制備方法，采用鉛過量和三層坩堝燒結法相結合進行制備，使用三層坩堝燒結法進行燒結時，PbZrO₃埋料在高溫下受熱分解生成大量的氧分子，從而形成局部飽和蒸氣壓，在燒結初期能夠促進蒸發?凝聚傳質，使得燒結品致密化速率加快；三氧化二鋁粉在燒結溫度下穩定存在，提供溫度均勻的燒結環境；本發明在相對富氧且溫度均勻的條件下燒結的，燒結得到的樣品的晶粒大小均勻，微結構較為致密；而鉛過量和燒結條件的控制，可以較為精確的控制燒結制品中的Pb和Hf的化學計量比，使之更加接近1：1。本發明制備的陶瓷成份簡單在室溫下能夠獲得較大電致應變0.51％，且在100～175℃溫度范圍內具有較好的溫度穩定性。本發明制備工藝簡單，成本較低，重復性較好。

技術領域

本發明屬于反鐵電陶瓷材料領域，具體涉及一種鉿酸鉛反鐵電陶瓷材料及其制備方法，是一種在高溫下具有大應變且成分簡單的功能材料。

背景技術

反鐵電材料由于其優異的性能，在醫學、交通、電力電子、能源等領域的應用中具有不可替代的作用。由于反鐵電材料在發生場致反鐵電→鐵電相變過程中伴隨著巨大的應變，故在大位移致動器領域中有廣泛的應用。然而，當前的研究主要通過在PLZST基反鐵電材料中進行進行元素摻雜、固溶、改善制備工藝等方法獲得較大的應變，其應變大小可以達到0.1％-0.8％。但是就其實際應用而言，除了具有較大的電致應變，該應變的溫度穩定性也是該材料能夠實際應用的一項個重要指標。但是，PLZST基反鐵電材料成份復雜，所含元素種類多，成分波動使得陶瓷材料缺陷增加，且當溫度升高時其極化強度會下降，從而導致其應變的降低，難以滿足該材料在高溫下得到應用。鉿酸鉛反鐵電材料由于其成分簡單，極化強度更大，存在一個穩定的中間相，因此，在高溫大位移驅動器領域具有重要的應用前景。但是鉿酸鉛基陶瓷在燒結過程中氧化鉛非常容易揮發，氧化鉛的揮發導致陶瓷材料的化學計量比發生偏離，燒結完成的鉿酸鉛基陶瓷致密性差、電性能劣化，嚴重限制了它的工業化應用。目前，還未見采用傳統的固相燒結法獲得大電致應變的PbHfO₃陶瓷材料及其制備方法的相關報道。因此，開發出組分簡單且在高溫下具有大電致應變的材料具有重要的研究意義與應用價值。

發明內容

本發明的目的在于克服鉿酸鉛基陶瓷燒結過程中PbO容易揮發造成陶瓷材料的化學計量比發生偏離以及材料致密性差的缺點，提供一種鉿酸鉛反鐵電陶瓷材料及其制備方法。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

一種鉿酸鉛反鐵電陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將PbO粉體和HfO₂粉體按照摩爾比為(1+x)：1稱取，混合后進行一次球磨，得到混合粉體；

其中，x＝0.04～0.05；

(2)將所述混合粉體在80～100℃下烘干、研磨和壓塊后，在800～880℃條件下保溫2～6h，得到預燒粉體；

(3)將所述預燒粉體依次進行二次球磨、烘干、研磨、造粒和過篩，得到顆粒均勻的粉體；

(4)將所述顆粒均勻的粉體靜置12～24h，之后壓制成圓柱形坯體，將所述圓柱形坯體以1℃/min升溫至在240℃保溫2～5h，再以2℃/min升溫至在500～600℃保溫2～4h，得到一次燒結坯體；

(5)將一次燒結坯體埋入裝有與坯體組分相同粉料的坩堝中，將所述坩堝埋入裝有PbZrO₃埋料的中間層坩堝中，將所述中間層坩堝埋入裝有三氧化二鋁埋料的外層坩堝中，在空氣中進行燒結；

其中，燒結條件為1100～1200℃燒結4～6h，爐冷。

進一步的，在步驟(1)和步驟(3)中，球磨的介質均為無水乙醇，料、鋯球和無水乙醇的質量比均為1：2：(0.5～1.5)，球磨時間均為12～18h；