[发明专利]一种Bi0.5Na0.5TiO3基三元体系无铅压电陶瓷及制备

说明书

技术领域

本发明属于钙钛矿结构压电陶瓷领域，涉及一类新型的多元Bi_0.5Na_0.5TiO₃基无铅压电陶瓷材料，具体是xBi_0.5Na_0.5TiO₃-yBaTiO₃–zBiZn_0.5Ti_0.5O₃系无铅压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷是一种用途广泛的功能材料，用它制作的压电滤波器、微位移器、驱动器和传感器等，被广泛应用于卫星广播、电子设备、生物以及航空航天等高新技术领域。然而，目前应用最广泛、最成熟的压电陶瓷是钙钛矿结构的锆钛酸铅(PbZr_xTi_1-xO₃，简写为PZT)基陶瓷材料中氧化铅约占原料总重量的70%左右。由于氧化铅有毒、高温下易挥发，这类材料在制备、使用及废弃后处理过程中都会给环境和人的健康带来损害。随着人类社会可持续发展战略的实施和公众环境保护意识的增强，无铅压电陶瓷已成为高技术新材料的研发热点。无铅压电陶瓷材料主要有钙钛矿、钨青铜和铋层状三种晶体结构类型。其中，研究最多的是钙钛矿结构的Na_0.5Bi_0.5TiO₃(简称为BNT)基压电陶瓷体系。

BNT是1960年由Smolenskii等人发现的一种A位复合钙钛矿型驰豫铁电体，室温时属三方铁电相。BNT陶瓷具有较强的压电性，机电耦合系数各向异性较大(kt约50%，k_p约13%)，居里温度较高(320°C)，而且烧结温度低(<1200°C)，所以成为一种很有希望的无铅压电材料。但其矫顽场大(73kV·cm^-1)及电导率高而难以极化。这些问题阻碍了纯BNT陶瓷的实用化。因此通过与其它化合物固溶形成多元固溶体系成为了改善BNT陶瓷性能的有效手段。

BiZn_0.5Ti_0.5O₃(BZT)是一种新型B位复合钙钛矿结构铁电体。理论计算和实验表明，该化合物具有大的四方度(c/a=1.21)，剩余极化可达150μC·cm^-2。BZT加入到BNT时，当加入量为3.75mol.%时可形成准同型相界。但BNT-BZT二元体系在BZT加入量为5.0mol.%时就易出现第二相，影响了陶瓷的铁电和压电性能。BaTiO₃是一种具有高稳定性的钙钛矿，能和许多钙钛矿形成固溶体系，提高固溶体的钙钛矿稳定性。因此，在BNT加引入适量的BaTiO₃，可以提高复合体系的钙钛矿稳定性，提高BZT的最大加入量，避免第二相的形成，改善多元体系陶瓷的电学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型BNT基多元无铅压电陶瓷体系，可以提高复合体系的钙钛矿稳定性，提高BZT的最大加入量，避免第二相的形成，改善多元体系陶瓷的电学性能。

本发明的一种Bi_0.5Na_0.5TiO₃基三元体系无铅压电陶瓷，其特征在于，陶瓷材料的组成为xBi_0.5Na_0.5TiO₃-yBaTiO₃–zBiZn_0.5Ti_0.5O₃，可用x BNT-y BT-zBZT表示（BNT为Bi_0.5Na_0.5TiO₃，BT为BaTiO₃，BZT为BiZn_0.5Ti_0.5O₃），其中x、y、z为被包含在用BNT、BT和BZT三元组成图的各组成点A、B、C、D连线所包围的区域内的BNT、BT和BZT的摩尔含量数，x、y、z包括点A和D之间的线段上的摩尔含量数，也包括点B和C之间的线段上的摩尔含量数，但不包括点A和B之间线段上的摩尔含量数，也不包括点C和D之间线段上的摩尔含量数，并且x、y、z也不属于A、B、C、D四个点上的摩尔含量数，其中A为(0.95,0,0.05)，B为(0.97,0,0.03)，C为(0.98,0.02,0)和D为(0.93,0.07,0)。