[发明专利]一种稀土掺杂BCZT压电纳米纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种稀土掺杂BCZT纳米纤维及其制备方法和应用。本发明提供的稀土掺杂BCZT纳米纤维，化学式为Ba_0.85‑xM_xCa_0.15(Zr_0.1Ti_0.9)O₃，其中M为稀土元素，0.01≤x≤0.05；该稀土掺杂BCZT纳米纤维长为5～10μm，径向宽度为50～200nm。采用溶胶凝胶法结合静电纺丝制备，实现了掺杂元素在原子级别的分散及均匀掺杂，稀土掺杂BCZT纳米纤维的晶体连续性好，有效提升了BCZT陶瓷的压电性能、介电性能、降低介电损耗。该稀土掺杂BCZT纳米纤维可直接与柔性高分子材料复合制备压电纳米发电机，有效应用于生物医学、无线传感、柔性器件等纳米电子器件领域。

技术领域

本发明属于功能材料和电子器件技术领域，具体涉及一种稀土掺杂BCZT压电纳米纤维及其制备方法和应用。

背景技术

在众多无铅压电材料体系中，锆钛酸钡钙(BCZT)因其具有与PZT相当的压电性能(d33＝500-620pC/N)而倍受关注，但其温度稳定性、机电性能、介电性能等综合性能与PZT还有明显的差距。文献(Maraj M,Wei W,Peng B,et al.Materials.2019,12(21):3641)中报道，科学家们普遍采用固相反应法制备稀土元素(La、Sm、Eu、Dy、Y)掺杂BCZT粉体，通过离子半径较小的稀土元素离子取代部分Ba²⁺离子，使晶胞体积收缩，界面和电畴密度增加，界面极化得到增强，铁电弛豫程度提高，使压电性能、介电性能提高，介质损耗降低，改善BCZT的综合性能。如专利号CN102515754B的中国专利介绍了氧化镧掺杂改性的锆钛酸钡钙陶瓷及其制备方法，该发明通过固相法将La掺杂到BCZT中，制备得到改性的La-BCZT陶瓷。但固相反应法存在元素掺杂不均匀的现象；合成温度普遍在1200～1350℃，温度较高，能耗大；需要进行二次球磨加工，工艺耗时长；制备的BCZT粉体为微米级别的不规则颗粒状，晶体不连续，存在缺陷，需要通过1400-1500℃的高温烧结将其应用于压电陶瓷块体中。这些问题限制了BCZT在生物医学、无线传感、柔性器件等纳米电子器件领域的应用。

而采用溶胶凝胶法制备BCZT，合成温度比固相反应法低，制得的BCZT均匀度高、成分准确、纯度高。有研究(锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷的制备、结构与电学性能研究，田永尚，中国地质大学博士学位论文，2016)采用改性Pechini法制备得到BCT-BZT-La-xIr⁴⁺陶瓷及BCT-BZT-La-xEr陶瓷，其压电性能均没有得到明显提高，如两者的d₃₃测试值仅为269pC/N和196pC/N。

发明内容

针对现有技术制备得到的稀土掺杂BCZT纳米压电陶瓷压电性能不佳，本发明的目的在于提供一种稀土掺杂BCZT压电纳米纤维。该稀土掺杂BCZT压电纳米纤维的晶体连续性好，具有优异的压电性能、介电性能、且介电损耗低；可以与柔性高分子材料复合制备压电纳米发电机，有效应用于生物医学、无线传感、柔性器件等纳米电子器件领域。

本发明的另一目的在于提供一种稀土掺杂BCZT压电纳米纤维的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述稀土掺杂BCZT压电纳米纤维在纳米电子器件领域中的应用。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种稀土掺杂BCZT纳米纤维，该稀土掺杂BCZT的化学式为Ba_0.85-xM_xCa_0.15(Zr_0.1Ti_0.9)O₃，其中M为稀土元素，0.01≤x≤0.05；该稀土掺杂BCZT纳米纤维长为5～10μm，径向宽度为50～200nm。