[发明专利]具有优异温度稳定性的四方相A和B位共取代无铅压电织构陶瓷及其制备方法和应用

说明书

具有优异温度稳定性的四方相A和B位共取代无铅压电织构陶瓷及其制备方法和应用，属于压铁电材料领域。解决现有技术下BT基陶瓷材料存在居里温度T_c降低和压电系数温度稳定性恶化的问题。该织构陶瓷的化学通式为(Ba_1‑xCa_x)(Ti_1‑yE_y)O₃，室温下为纯四方相的钙钛矿结构，沿[001]_c或者[111]_c择优取向度在90％以上。方法：一、制备前驱体基料；二、选取和称量模板籽晶；三、制备流延浆料；四、制备陶瓷生坯；五、制备四方相无铅织构陶瓷。应用：应用于在室温至100℃区间内保持稳定机电输出的电子器件。

技术领域

本发明属于压铁电材料领域。

背景技术

基于钙钛矿结构压电材料特有的机电能量转换能力所制备的压电致动器、智能传感器、超声换能器和能量收集器等在信息技术、先进制造、医疗健康、新能源和航空航天等高新技术领域有着重要的需求。由于其突出的机电性能和温度稳定性，锆钛酸铅(PZT)基压电陶瓷一直是应用最广且占据市场主要份额的压电材料。然而，该类铅基材料在生产、使用以及废弃处理过程中会对人类健康和生态环境造成危害。目前，研发性能高、温度稳定性好的无铅压电陶瓷来替代传统铅基陶瓷成为世界范围内一项紧迫且具有巨大经济和社会价值的课题。BaTiO₃(钛酸钡，简称为BT)是发现最早的无铅压电体系，并被认为是最可望取代铅基陶瓷的无铅体系之一。

近年来，为了解决纯BT陶瓷压电性能不足的问题，研究者们基于固溶体理念，通过离子取代、引入新组元和掺杂取代等方式对该体系进行室温附近多相临界点(例如三方相、正交相、四方相和立方相共存的四相临界点)构建，并结合传统陶瓷制备工艺合成晶粒随机取向的BT基陶瓷，使得其室温压电系数获得了突破性的提高。然而，其压电系数的提高通常伴随着居里温度T_c的显著下降，可从纯BT的120℃降低至30℃～80℃，严重限制了该类陶瓷材料的应用温度区间。此外，该类陶瓷室温下两(多)相共存，造成压电系数的温度稳定性较差，即具有强的温度敏感特性。例如，将室温下多相共存的Ba(Ti_0.89Sn_0.11)O₃陶瓷从室温升温至60℃时，其压电系数下降了86％(Wang DW,Fan ZG,Rao GH,Wang G,Liu Y,Yuan CL,MaT,Li DJ,Tan XL,Lu ZL,Feteira A,Liu SY,Zhou CR,Zhang SJ.Ultrahighpiezoelectricity in lead-free piezoceramics by synergistic design.Nano Energy2020；76:104944)；将(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.10Ti_0.90)O₃陶瓷从室温升温至105℃时，其压电系数下降了51％(Acosta M,Novak N,Jo W,Rodel J.Relationship betweenelectromechanical properties and phase diagram in the Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃–x(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃lead-free piezoceramics.Acta Mater 2014；80:48-55)。居里温度T_c降低和压电系数温度稳定性恶化这两个缺点的存在，不利于器件制备及稳定工作，极大地限制了BT基陶瓷的实用化进展。如何改善BT基陶瓷压电性能的温度稳定性是未来无铅压电陶瓷研究发展的一个重要方向。

发明内容

本发明是要解决现有技术下BT基陶瓷材料存在居里温度T_c降低和压电系数温度稳定性恶化的问题，而提供具有优异温度稳定性的四方相A和B位共取代无铅压电织构陶瓷及其制备方法和应用。