[发明专利]BNT-BKT-BT-AlN复合压电材料及其制备和应用

说明书

本发明属于功能陶瓷材料领域，具体涉及BNT‑BKT‑BT‑AlN复合压电材料，其为具有以下化学式的固溶陶瓷材料：(1‑x)[(1‑a‑b)Bi_0.5Na_0.5TiO₃‑aBi_0.5K_0.5TiO₃‑bBaTiO₃]‑xAlN；其中，x＝0.001～0.05；a＝0.1～0.2；b＝0.01～0.10。本发明还提供了所述的材料的制备和应用。本发明研究发现，所述的全新的压电陶瓷材料可以兼具优异的压电系数d₃₃、退极化温度T_d性能。

技术领域

本发明属于无铅压电陶瓷技术领域，具体涉及一种压电陶瓷材料。

背景技术

功能材料中，压电材料可以实现电能和机械能的相互转换，是许多电子元器件的关键组件，如传感器、微位移器、驱动器、换能器和能量收集器等。压电性能的温度稳定性在实际应用中至关重要。通常由于热退极化过程，压电响应会随温度的升高而降低。在许多场合下，如发动机和喷射阀中，压电器件需要能够承受较高的工作温度，因此需要抑制甚至消除压电材料的热退极化。压电材料的温度稳定性取决于其热退极化温度(T_d)的大小，T_d定义为升温过程中压电系数发生急剧降低的温度。在无铅压电陶瓷材料中，钛酸铋钠(Bi_0.5Na_0.5TiO₃)具有高的自发极化强度P_s～40μC/cm²和居里温度T_c～320℃，压电应用前景良好，然而其较高的矫顽场E_c～7kV/mm使其难以极化，压电系数d₃₃较低，同时在居里温度以下就发生的退极化限制了其上限使用温度。为了提高d₃₃，一般是在 Bi_0.5Na_0.5TiO₃基铁电材料中构造三方/四方准同型相界，但由于化学组成和电荷紊乱程度的增加，其退极化温度T_d会随之减小。因此，研究人员一直在寻求增强 Bi_0.5Na_0.5TiO₃体系热稳定性而不损害甚至改善压电活性的方法。离子掺杂、织构化、晶粒尺寸控制、淬火和复合材料设计等方法已经被用来提升Bi_0.5Na_0.5TiO₃体系的T_d。总的来说，B位受主掺杂、晶粒细化、陶瓷内部应力增强或者加入氧化物ZnO和Al₂O₃等能够提升Bi_0.5Na_0.5TiO₃基铁电材料的T_d，但是这些策略往往伴随着陶瓷铁电畴活性降低而使压电响应退化。Bi_0.5Na_0.5TiO₃基铁电体的压电性和热稳定性难以兼容，严重阻碍其压电应用，因此亟需寻求一种能够提升T_d而不会过度损害甚至可以提高d₃₃的有效方法。

发明内容

针对现有压电陶瓷材料还存在压电系数d₃₃、退极化温度T_d难于兼顾的问题，本发明第一目的在于提供一种BNT-BKT-BT-AlN复合压电材料，旨在提供兼顾优异压电系数d₃₃、退极化温度T_d性能的新压电陶瓷材料。

本发明第二目的在于，提供所述的BNT-BKT-BT-AlN复合压电材料的制备方法，旨在降低杂相和缺陷，成功制备所述的全新材料。

本发明第三目的在于，提供所述的BNT-BKT-BT-AlN复合压电材料的应用。

本发明第四目的在于，提供包含所述BNT-BKT-BT-AlN复合压电材料的压电器件。