[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

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，涉及弛豫鐵電鉛基陶瓷材料及制備方法和應用。解決現有技術下弛豫鐵電陶瓷材料存在相變溫度較低、抗電學疲勞性能較差，無法兼顧高機電性能、高相變溫度和優異抗疲勞性的問題，而且含Zr類弛豫鐵電織構陶瓷制備過程中存在熱動力學問題。弛豫鐵電鉛基陶瓷材料化學通式為(1?x?y)Pb(A,Nb)O₃?xPbZrO₃?yPbTiO₃?awt.％B。方法：一、純鈣鈦礦相母體細粉制備；二、流延法制備陶瓷生坯；三、織構陶瓷材料制備。應用：應用于壓電致動器、智能傳感器、超聲換能器和能量收集器。

技術領域

本發明涉及弛豫鐵電鉛基陶瓷材料及制備方法和應用。

背景技術

作為一類非常重要的電子功能材料，弛豫PbTiO₃基鐵電陶瓷因其獨特的機電轉化性能有望被廣泛應用于制備多種機電轉化元器件中，例如壓電致動器、超聲換能器、智能傳感器、能量收集器等。傳統二元PbTiO₃基弛豫鐵電體系因其相變溫度較低等短板(例如Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃其三方-四方相變溫度T_r-t僅為～60-100℃)，已無法滿足研制新一代電子器件對高相變溫度兼顧高機電性能的應用要求。開發三元乃至多元系鉛基體系有望同時獲得高相變溫度和高機電性能，已成為目前弛豫鐵電材料的熱點研究方向之一。

將PbZrO₃組元引入PbTiO₃基弛豫鐵電體系中(例如形成Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbZrO₃-PbTiO₃三元體系)可以較大幅度地提高材料的三方-四方相變溫度T_r-t和居里溫度T_c，但該類陶瓷材料的機電轉化性能偏低。近十幾年來，國內外研究學者通過離子取代、摻雜改性、引入新組元、組分優化、陶瓷晶粒細化等手段，使得該類陶瓷的機電性能得到了明顯的提高。研究發現，該類陶瓷部分電學性能參數的提高很大程度上是以惡化其它性能參數(例如相變溫度)為代價獲得的。此外，該類陶瓷在電場服役條件下工作時，存在著宏觀機電性能顯著退化的問題，阻礙了其在高可靠性和長期穩定性機電器件中的應用和發展，這就使得該類材料的抗電學疲勞性有待大幅度提高。晶向織構有望改善該類陶瓷的電學性能，然而Zr⁴⁺的存在破壞了模板籽晶的化學穩定性，使得該類陶瓷在其晶粒定向生長過程中出現了一系列熱動力學問題，進而影響了織構陶瓷機電性能提升的幅度，也惡化其電學性能穩定性等。這些問題的存在阻礙了該類陶瓷在高性能機電轉化器件中的實用化進程。

發明內容

本發明是要解決現有技術下弛豫鐵電陶瓷材料存在相變溫度較低、抗電學疲勞性能較差，無法兼顧高機電性能、高相變溫度和優異抗疲勞性的問題，而且含Zr類弛豫鐵電織構陶瓷制備過程中存在熱動力學問題，而提供一種具有高相變溫度、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。

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，它的化學通式為(1-x-y)Pb(A,Nb)O₃-xPbZrO₃-yPbTiO₃-awt.％B，其中A為Mg、Yb、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；