[發(fā)明專利]一種高剩余極化強(qiáng)度BNT基鐵電陶瓷材料及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211259581.1
• 申請(qǐng)日: 2022-10-14
• 公開（公告）號(hào): CN115677343B
• 公開（公告）日: 2023-09-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 聶恒昌;林業(yè)展;曹菲;王根水
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號(hào): C04B35/475
• 分類號(hào): C04B35/475;C04B35/622;C04B35/64
• 代理公司: 上海瀚橋?qū)＠硎聞?wù)所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優(yōu)麗

本發(fā)明涉及一種高剩余極化強(qiáng)度BNT基鐵電陶瓷材料及其制備方法與應(yīng)用。所述高剩余極化強(qiáng)度BNT基鐵電陶瓷材料的化學(xué)組成為(1?x)Bisubgt;0.5/subgt;Nasubgt;0.5/subgt;TiOsubgt;3/subgt;?xAgNbOsubgt;3/subgt;；其中0.01≤x≤0.05，優(yōu)選地，x＝0.02。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于功能陶瓷材料領(lǐng)域，具體涉及一種通過(guò)兩步合成法制備的高剩余極化強(qiáng)度Bi_0.5Na_0.5TiO₃基無(wú)鉛鐵電陶瓷材料及其應(yīng)用，該種陶瓷材料具有壓力誘導(dǎo)鐵電-弛豫相變的特性。

背景技術(shù)

鐵電材料在各種外場(chǎng)(溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng))下的相變行為一直是研究的熱點(diǎn)，其中應(yīng)力場(chǎng)下的相變行為主要以高功率脈沖電源(也稱為高功率脈沖電源技術(shù))為應(yīng)用場(chǎng)景。在沖擊波作用下，極化后的鐵電陶瓷可以在幾微秒的時(shí)間內(nèi)迅速去極化，產(chǎn)生強(qiáng)的電流脈沖(低阻抗負(fù)載時(shí))或電壓脈沖(高阻抗負(fù)載時(shí))，從而輸出兆瓦級(jí)功率的脈沖能量。高功率脈沖電源在實(shí)際應(yīng)用中需要達(dá)到百kV級(jí)別的高壓輸出，而目前單片陶瓷片的極限為十kV級(jí)輸出，所以在器件布局上多采用多層串聯(lián)鐵電陶瓷堆方式。出于對(duì)高功率脈沖電源器件小型化、集成化的要求，需要開發(fā)高能量密度的鐵電陶瓷材料。鐵電陶瓷的儲(chǔ)能密度可由公式W＝P_r²/2ε₀ε_r，P_r為剩余極化強(qiáng)度，ε₀為真空介電常數(shù)，ε_r為相對(duì)介電強(qiáng)度。要實(shí)現(xiàn)高能量密度，高的剩余極化強(qiáng)度是關(guān)鍵因素。

用于高功率脈沖電源的鐵電材料，需要其在等靜壓或者沖擊波下有退極化行為。該現(xiàn)象在很多材料中都已被發(fā)現(xiàn)，如Pb(Zr,Ti)O₃(PZT)、(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O₃(PLZST)、(Pb,Nb)(Zr,Sn,Ti)O₃(PNZST)和Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃(PMN-PT)等。在這些材料體系中，目前商用的主要是PZT95/5材料，其通過(guò)調(diào)控組分至反鐵電-鐵電相界而獲得極化后亞穩(wěn)態(tài)的鐵電相，壓力下發(fā)生FE-AFE相變。致密的PZT?95/5鐵電陶瓷的最大剩余極化強(qiáng)度為35μC/cm²左右。為了獲得更高的能量輸出密度和溫度穩(wěn)定性，研究人員一直在探索適合于高功率脈沖電源應(yīng)用要求的新型鐵電材料。新型的高功率脈沖電源用鐵電材料需達(dá)到的目標(biāo)有：高的儲(chǔ)能密度、低的體積密度和高的溫度穩(wěn)定性。

Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)鐵電材料具有較強(qiáng)的鐵電性(Pr～38μC/cm²)和獨(dú)特的弛豫特征，適合構(gòu)筑具強(qiáng)鐵電性的近相界鐵電材料。但純BNT本身具有高矯頑場(chǎng)、高漏導(dǎo)等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足耐電和極化的要求。通常采取元素?fù)诫s或者第二組元固溶的方法進(jìn)行改性。但是，目前諸如BNT-BT、BNT-NN、BNT-ST等固溶組分多關(guān)注于壓電系數(shù)、電致應(yīng)變、儲(chǔ)能等方面的研究，而且固溶組分的加入會(huì)降低相變溫度，導(dǎo)致剩余極化強(qiáng)度的降低，導(dǎo)致上述組分的剩余極化強(qiáng)度通常低于純BNT。因此，選取合適的固溶組分，探索具有高剩余極化強(qiáng)度的BNT基鐵電陶瓷值得關(guān)注。

除了組分調(diào)控之外，要實(shí)現(xiàn)高剩余極化強(qiáng)度還需要高的耐擊穿強(qiáng)度，這與材料的形貌結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，需要陶瓷材料具有高致密度，并且形貌、結(jié)構(gòu)分布均勻，其中為獲得性能優(yōu)良的鐵電陶瓷材料，相當(dāng)多的關(guān)注集中在制備技術(shù)上。除了傳統(tǒng)的固相燒結(jié)法之外，比較典型的有溶膠-凝膠法、濕化學(xué)法、熔鹽法等。傳統(tǒng)的預(yù)合成和燒結(jié)工藝，未有將固溶成分的合成過(guò)程分開，因此不利于獲得單一相、均勻晶粒和高致密度的陶瓷，而且不利于材料的鐵電和熱釋電性能提高以及介電損耗的降低。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于鐵電-弛豫相變的高剩余極化強(qiáng)度BNT基鐵電陶瓷材料及其制備方法與應(yīng)用。