[发明专利]一种三元系钛酸铋钠基无铅压电陶瓷

说明书

一、技术领域

本发明涉及压电陶瓷材料，具体是在(Bi_1/2Na_1/2)TiO₃-(Bi_1/2K_1/2)TiO₃二元体系中添加Bi基化合物作为第三组元的无铅压电陶瓷。

二、背景技术

压电陶瓷是实现机械能与电能相互转换的重要功能材料，广泛应用于电子技术、激光技术、通讯、航天、计量检测、精密加工和传感技术等领域，尤其是在信息的检测、转化、处理和储存等信息技术领域起着极其重要的作用。自从二十世纪四十年代中期发现钛酸钡陶瓷的压电性后，ABO₃型钙钛矿结构压电陶瓷的研究十分活跃。目前，实用的压电陶瓷绝大部分是锆钛酸铅(PZT)或以为锆钛酸铅为基的材料。但这些材料都是以氧化铅为主要原料，在制备、使用和废弃后处理过程中都会对人类及环境带来严重的危害。因此，寻找性能优良的无铅压电陶瓷材料受到世界各国的日益重视。

目前研究较多的，具有实用前景的无铅压电陶瓷体系主要有两种：铌酸钾钠锂((K，Na，Li)NbO₃)无铅压电陶瓷和钛酸铋钠((Bi_1/2Na_1/2)TiO₃)基无铅压电陶瓷。其中(Bi_1/2Na_1/2)TiO₃(简称BNT)是1960年由Smolensky等人发明的A位复合ABO₃型钙钛矿铁电体，其居里点为320℃，在室温下具有相对较大的剩余极化(Pr＝38μC/cm²)，压电系数大，介电常数小，声学性能好等优良特性，且烧结温度低，被认为是一种很有希望的无铅压电材料。但钛酸铋钠陶瓷矫顽场高(Ec＝73kV/cm)，极化极为困难，因而单纯的钛酸铋钠陶瓷很难实际应用。必须改性以获得矫顽场低、压电性能好的钛酸铋钠无铅压电陶瓷体系。

目前，各国研究者对钛酸铋钠基无铅压电陶瓷进行了大量改性研究。这些研究结果表明，由于铋在元素周期表上与铅相邻，具有相同的电子分布、相近的离子半径和分子量，因而钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的压电性主要来源于(Bi_1/2Na_1/2)²⁺离子，特别是Bi³⁺离子。因此铋含量对钛酸铋钠基陶瓷的机电耦合系数、机械品质因数、居里温度、剩余极化强度和矫顽场等铁电压电特性有重大影响。近年来，人们对钛酸铋钠基无铅压电陶瓷改性主要集中在A、B位置的取代改性上，并在此基础上进一步进行微量稀土元素的掺杂改性。文献1(Jap.J.Appl.Phys.1991，30(9B)：2236-2239)报到了组成式为(Bi_1/2Na_1/2)TiO₃-BaTiO₃的无铅压电陶瓷体系，文献2(Key Eng.Mater.1999，169-170：37-40)报到了组成式为(Bi_1/2Na_1/2TiO₃)-BiFeO₃的无铅压电陶瓷体系，文献3(Appl.Phy.Lett.2006，88：2901-2903)报到了组成式为[Bi_0.5(Na_1-x-yK_xLi_y)_0.5]TiO₃的无铅压电陶瓷体系，文献4(Mater.Sci.Eng.B.2004，112(9)：5-9)报到了组成式为(Bi_1/2Na_1/2)TiO₃-NaNbO₃的无铅压电陶瓷体系，文献5(J.Am.Soc.2003，86(10)：1809-1811)报到了组成式为(Bi_1/2Na_1/2)TiO₃-Ba(Cu_1/2W_1/2)O₃的无铅压电陶瓷；文献6(压电与声光，2000，22(6)：370-372)报道了组成式为(Bi_1/2Na_1/2)TiO₃-SrTiO₃的无铅压电陶瓷；文献7(Mater.Lett.2005，59：1576-1580)报道了组成式为(Bi_1/2Na_1/2)TiO₃-Ba(Ti，Zr)O₃的无铅压电陶瓷，文献8(Jpn.J.Phy.1997，36：6055-6057)报到了组成式为(Bi_1/2Na_1/2)TiO₃-1/2(Bi₂O₃·Sc₂O₃)的无铅压电陶瓷体系；文献9(Jpn.J Appl.Phys.2006，45(5B)：4493-4496)报道了(Bi_1/2Na_1/2)TiO₃-(Bi_1/2K_1/2)TiO₃无铅压电陶瓷体系；文献10(Ceram.Int.2007，33：95-99)报道了CeO₂掺杂的Bi_0.5Na_0.44K_0.06TiO₃无铅压电陶瓷；专利CN1850718A给出了组成式为(Bi_1/2Na_1/2)TiO₃-(Bi_1/2K_1/2TiO₃)-KNbO₃体系的压电陶瓷组合物；专利CN1814569A给出了组成式为[Bi_0.5(Na_1-xAg_x)_0.5]_1-yBa_yTiO₃，添加0.10～0.25wt％的Y₂O₃、MnO₂、MgO等氧化物后获得不同性能的压电陶瓷。