[发明专利]无铅反铁电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种陶瓷制备技术领域的材质及方法，具体是一种无铅反铁电材料及其制备方法。

背景技术

反铁电材料在高能存储电容器，高应变驱动器，热释电传感器，爆电换能传感器及电致冷技术中都具有非常大的应用价值。特别是随着微电子技术的发展，反铁电薄膜在微机电技术(MEMS)领域及动态随机存储器使用的去耦电容器领域是一种不可获缺的材料。反铁电材料最显著的特征是由于反平行偶极子的存在具有双电滞回线，然而目前发现可在常压下制备的具有反平行极化的反铁电材料并不多。反铁电材料的结构类型主要有两种，一种是NaNbO₃型，它的反平行偶极子是沿着假立方钙钛矿晶胞边的对角线，另一种是PbZrO₃型，它的反平行偶极子是沿着假立方钙钛矿晶胞面的对角线。在这两种类型的反铁电材料中，PbZrO₃基型的反铁电材料可在电场的作用下发生从反铁电相到铁电相的变化，并伴随着很大的应变及电荷释放，因此是一种具有重要应用价值的反铁电材料。该种反铁电材料一直是过去几十年来的研究热点，其中最著名的主要包括Pb(Zr，Ti)O₃，(Pb，La)(Zr，Sn，Ti)O₃及(Pb，La)(Zr，Hf，Ti)O₃等一些材料。但是这些材料中氧化铅约占原料总重量的60％以上，而氧化铅是一种剧毒、且在高温下易挥发的物质。在烧结过程中大量氧化铅的挥发势必造成环境的污染，直接危害人类的健康。近年来，随着环境保护和人类社会可持续发展的需求，研发新型环境友好的功能陶瓷已成为各国致力研发的热点之一。比如2001年欧洲议会通过了关于“电器和电子设备中限制有害物质”的法令，并定于2008年实施。为此，欧洲共同体专门立项进行关于无铅系压电陶瓷的研究与开发。美国、日本和我国也相继逐年提高了对研制无铅系压电陶瓷项目的支持力度。由此可见，研究和开发一种可替代PbZrO₃基型反铁电材料的新型无铅反铁电材料是具有重大意义的，尤其是环境友好型社会已被提上议事日程、MEMS产业正在迅猛发展的今天更是如此。

(Na_0.5Bi_0.5)TiO₃(NBT)是一种具有钙钛矿结构的铁电压电材料。其中NBT在加入BaTiO₃(BT)后，由于存在三方-四方准同型相界(BT含量为6mol％-10mol％)及能显著降低其过大的矫顽场而备受瞩目，准同型相界附近组分的陶瓷其压电常数d₃₃可接近200pC/N，剩余极化P_r可达到38μC/cm²。该种铁电材料存在一个退极化温度，即铁电-反铁电相变温度。对于纯NBT，该退极化温度为190℃左右，在最接近准同型相界附近的组分其退极化温度最低，为100℃左右，然后随着BT含量的增加，退极化温度升高，比如对于NBT-BT85/15陶瓷，其退极化温度为210℃左右。目前研究的NBT-BT材料其钠铋摩尔比(Na/Bi)都为1。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于NBT-BT的无铅反铁电材料及其制备方法，但该种材料的钠铋摩尔比小于1，即富铋缺钠，单独富铋或者单独缺钠，制备得到的材料能够在室温下显示双电滞回线，并在电场作用下可发生从反铁电相到铁电相的变化，且诱导铁电相的稳定性可通过钠铋比进行调节。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种无铅反铁电材料，其组分为：Na_yBi_zTi_(1-x)-xBaTiO₃，缩写为N_100yB_100zT_100(1-x)-BT_x，其中：x的取值为0-0.15，y的取值为0.30-0.50，z的取值为0.40-0.60，其中钠元素和铋元素的摩尔比小于1。