[发明专利]一种高应变钛酸铋钠基陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高应变钛酸铋钠基陶瓷及其制备方法，所述高应变钛酸铋钠基陶瓷的化学计量比为：0.8(BiNa)_0.5‑x(LaLi)_xTiO₃‑0.2Bi_0.5K_0.5TiO₃；x＝0.006‑0.012。本发明通过优化陶瓷配方，然后经过混合、球磨、低温预烧和高温烧结过程之后，使得环境友好型的无铅压电材料钛酸铋钠基陶瓷在较低电场下具有高的应变，室温下电场为45kV cm^‑1时，其应变达0.387％，动态压电常数d₃₃^*达860pm/V，同时材料在10⁶次循环下保持优异的抗疲劳特性。

技术领域

本发明属于压电陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种高应变钛酸铋钠基陶瓷及其制备方法。

背景技术

利用材料电与机械位移的相互转换特性，压电陶瓷材料在传感器、制动器和换能器等方面表现出极为重要的作用，可广泛地应用于通信、家电、航空、探测和计算机等诸多领域。但是目前大规模使用的压电陶瓷以PbZr_1-xTi_xO₃(PZT)等为主的铅基压电陶瓷。铅基压电陶瓷的原料中PbO或Pb₃O₄约占总量的70％，并且PbO或Pb₃O₄在陶瓷的烧结过程中容易挥发。含铅压电陶瓷在生产、废弃以及回收过程中给自然环境带来了极大的危害，很难满足环保的使用要求。钛酸铋钠(Na_0.5Bi_0.5TiO₃，BNT)基无铅压电陶瓷由于较高的应变性能得到了广泛的研究。通常采用与其它铁电或者非铁电钙钛矿材料形成准同型相界以进一步提高应变。虽然材料在更高场强下具有更高的应变，但是过高的场强限制了它们的实际应用。M.Acosta,et al.Core-shell lead-free piezoelectric ceramics:Current status andadvanced characterization of the Bi_1/2Na_1/2TiO₃-SrTiO₃system.J.Am.Ceram.Soc.2015,98(11):3405-3422文章中对比了不同系列的无铅压电陶瓷，发现BNT基材料在45kVcm^-1电压下具有最大的动态压电常数d₃₃^*，即S_max/E_max，约700pm/V。进一步，R.A.Malik,et al.Temperature-insensitive high strain in lead-free Bi_0.5(Na_0.84K_0.16)_0.5TiO₃-0.04SrTiO₃ ceramics for actuator applications.J.Am.Ceram.Soc.2015,98(12):3842-3848文中通过对BNT-BKT-ST体系进行Li、Nb双掺杂，使BNT基材料的压电常数d₃₃^*提高到755pm/V。但是对于实际应用而言，无铅压电材料的应变还需要进一步提高，尤其是解决材料在较低场强下应变较低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无铅高应变钛酸铋钠基陶瓷及其制备方法，旨在解决现有压电材料在电场诱发下应变较小的问题。

本发明是这样实现的，一种高应变钛酸铋钠基陶瓷，所述高应变钛酸铋钠基陶瓷的化学计量比为：0.8(BiNa)_0.5-x(LaLi)_xTiO₃-0.2Bi_0.5K_0.5TiO₃；x＝0.006-0.012。