[发明专利]一种无铅电致伸缩陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电致伸缩陶瓷领域，具体公开了一种无铅电致伸缩陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

电致伸缩材料是一类具有扩散相变特征的铁电材料。所谓电致伸缩效应是指电场引起的伸缩形变现象，是固体介质在外电场作用下诱导极化而出现的一种物理现象。电致伸缩应变S(ΔL/L)与电致伸缩系数Q和电场强度E的平方成正比，即S＝QP²=Qε²E²。由于应用上的需要，研究者对各种材料的电致伸缩效应进行了研究，确定了在高介电常数的材料中，特别是具有扩散相变的弛豫性铁电材料，在居里温度附近时可以获得较大的电致伸缩效应。

目前，电致伸缩材料已经广泛进入应用领域，在微位移换能器方面，特别是在旋光性调制上要将光程变化控制在波长的数量级，需要可以控制小尺寸位移变化的材料。电致伸缩材料与磁致伸缩材料及压电材料相比，具有响应时间快、无滞后、无老化效应、不需要极化等特点。

目前应用的大部分电致伸缩材料是铅基材料，比如铌镁酸铅PMN（J.Kuwata,K.Uchino,S.Nomura,Electrostrictive coefficients of Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃ ceramics,Jpn.J.Appl.Phys.1980,19:2099-103）及铌镁酸铅-钛酸铅PMN-PT（S.-T.Zhang,A.B.Kounga,W.Jo,C.Jamin,K.Seifert,T.Granzow,J.，and D.Damjanovic,High-strain lead-free antiferroelectric electrostrictors,Adv.Mater.2009,21:4716–20）等等。但是传统铅基电致伸缩材料中PbO的约占原料总重量的60%以上，而PbO是一种剧毒、且在高温下易挥发的物质，在烧结过程中大量PbO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，研发新型环境友好型的电致伸缩材料已成为各国致力研发的热点之一。

(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃（BNT）是一种A位复合钙钛矿结构的弛豫型铁电体，具有较高的居里温度T_c=320℃和强的铁电性能P_r=38μC/cm²，受到各国研究机构的广泛关注，但纯的BNT陶瓷因矫顽场大而难以极化，其压电性能难以达到实际应用要求。为提高BNT基材料的压电性能，各国的材料学者就体系构建、工艺技术、相变特征以及显微形貌控制等多方面展开了深入和内容丰富的研究（D.Q.Xiao,D.M.Lin,J.G.Zhu,P.Yu,Studies on new systems of BNT-based lead-free piezoelectric ceramics,J.Electroceram.2007,21:34–38）。研究发现，BNT可与BaTiO₃（BT）、(Bi_0.5K_0.5)TiO₃（BKT）和(K_0.5Na_0.5)NbO₃（KNN）等ABO₃型化合物复合，形成二元及三元固溶体系，引起材料结构上的变化，出现准同型相界(MPB)，呈现出良好的室温压电性能或电致应变性能。目前广泛研究的主要是针对BNT基高压电活性体系中，而对于BNT基电致伸缩的研究却相对有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种不含铅的新型电致伸缩材料，解决现有铅基电致伸缩陶瓷生产过程中存在的公害问题，并开发其在换能器、驱动器以及传感器方面的应用。

本发明第一方面公开了一种无铅电致伸缩陶瓷材料，其化学组成为(1-y)[(1-x)(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-x(Bi_0.5K_0.5)TiO₃]-y(K_0.5Na_0.5)NbO₃，其中0≤x≤0.40，0.10≤y≤0.30。