[發明專利]具有高相變溫度、優異抗疲勞性和高機電性能的弛豫鐵電鉛基陶瓷材料及制備方法和應用

有效

• 申請號: 202210116189.5
• 申請日: 2022-02-07
• 公開（公告）號: CN114436654B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 常云飛;劉琳婧;謝航;寇薔薇;孫媛;呂蕊;楊彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C04B35/499
• 分類號: C04B35/499;C04B35/622;C04B35/638;C04B35/64
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產權代理有限公司 23213
• 代理人: 侯靜

1.具有高相變溫度、優異抗疲勞性和高機電性能的弛豫鐵電鉛基陶瓷材料，其特征在于它的化學通式為(1-x-y)Pb(A,Nb)O₃-xPbZrO₃-yPbTiO₃-awt.％B，其中A為Mg、Sc和In中的一種或其中兩種，B為CuO、Li₂CO₃、ZnO、Sm₂O₃、PbO和B₂O₃中的一種或其中兩種，0.12≤x≤0.49，0.25≤y≤0.49，且1-x-y≥0.10，0≤a≤3；

所述的具有高相變溫度、優異抗疲勞性和高機電性能的弛豫鐵電鉛基陶瓷材料由沿[001]_c或者[111]_c擇優取向的晶粒所組成，擇優取向度在90％以上；

所述的具有高相變溫度、優異抗疲勞性和高機電性能的弛豫鐵電鉛基陶瓷材料的三方-四方相變溫度T_r-t高于150℃，居里溫度T_c高于220℃，壓電常數d₃₃^*高于1000pm/V，在循環電場最大場強E_max為材料矯頑場E_c3倍的條件下，加載10⁶圈單極循環電場后，最大應變S_max變化率低于3％；

上述具有高相變溫度、優異抗疲勞性和高機電性能的弛豫鐵電鉛基陶瓷材料的制備方法，它是按以下步驟完成的：

一、純鈣鈦礦相母體細粉制備：

①、按化學通式為(1-x-y)Pb(A,Nb)O₃-xPbZrO₃-yPbTiO₃-awt.％B的化學計量比稱取PbO粉體、含A和Nb的物料粉體、ZrO₂粉體、TiO₂粉體和燒結助劑粉體B；其中0.12≤x≤0.49，0.25≤y≤0.49，且1-x-y≥0.10，0≤a≤3；所述的含A和Nb的物料粉體為MgNb₂O₆、ScNbO₄和InNbO₄中的一種或其中兩種；所述的燒結助劑粉體B為CuO、Li₂CO₃、ZnO、Sm₂O₃、PbO和B₂O₃中的一種或其中兩種；所述的ZrO₂粉體和TiO₂粉體的粒徑均小于70nm；

所述的PbO粉體、含A和Nb的物料粉體、ZrO₂粉體、TiO₂粉體和燒結助劑粉體B的純度均大于99％；

②、以無水乙醇為介質，在轉速為200r/min～400r/min的條件下，對稱取的PbO粉體、含A和Nb的物料粉體、ZrO₂粉體及TiO₂粉體進行球磨24h～72h，然后烘干，得到混合原料，采用固相反應法在溫度為700℃～850℃的條件下，對混合原料預燒1h～6h，得到母體粉體；

所述的母體粉體為純相且粒徑小于400nm的(1-x-y)Pb(A,Nb)O₃-xPbZrO₃-yPbTiO₃母體粉體；

③、以無水乙醇為介質，在轉速為200r/min～400r/min的條件下，對母體粉體和稱取的燒結助劑粉體B進行球磨24h～72h，然后烘干，得到添加燒結助劑的純鈣鈦礦相母體細粉；

二、流延法制備陶瓷生坯：

①、按基料與模板的體積比為99:1～92.5:7.5稱取添加燒結助劑的純鈣鈦礦相母體細粉及片狀BaTiO₃模板籽晶；所述的片狀BaTiO₃模板籽晶沿{111}_c或者{001}_c擇優取向且徑厚比≥8；

②、將溶劑、分散劑、粘合劑、塑化劑及稱取的添加燒結助劑的純鈣鈦礦相母體細粉球磨混合24h～48h，然后加入稱取的片狀BaTiO₃模板籽晶并球磨15min～40min，真空抽泡1h～6h，得到漿料，在流延的速度為0.5cm/s～15cm/s的條件下，利用流延機將漿料流延并干燥，得到厚度為10μm～100μm的膜片，將膜片依次進行切割、疊壓、熱水勻壓、切割、在升溫速率為0.1℃/min～0.6℃/min及溫度為500℃～650℃的條件下排膠及在壓力為150MPa～300MPa的條件下冷等靜壓，得到陶瓷生坯；

三、織構陶瓷材料制備：

將陶瓷生坯放入高溫爐中，在溫度為1100℃～1275℃的條件下，燒結2h～10h，得到織構陶瓷，將織構陶瓷分別垂直于織構方向的上下表面進行打磨拋光、超聲清洗并烘干，然后將銀漿均勻涂敷在拋光后的兩個表面上，并在溫度為450℃～650℃的條件下，保溫5min～60min，最后置于硅油中，施加電壓為15kV/cm～70kV/cm的交流或者直流電場進行極化，即完成制備方法；

所述的燒結具體為在鉛氣氛中燒結，且陶瓷生坯表面蓋滿步驟一②制備的母體粉體。