[发明专利]掺杂型铁酸铋-钛酸钡基无铅压电陶瓷材料的制备方法

说明书

一种掺杂型铁酸铋‑钛酸钡基无铅压电陶瓷的两步烧结制备方法，属于无铅压电陶瓷材料领域。所述制备方法按化学式(1‑x)Bi_1‑yM_yFe_1‑zN_zO₃‑xBaTiO₃计算称量，球磨混料，烘干，过筛后置于氧化铝坩埚中，在780～950℃下预烧2～12h得到预烧粉；然后进行二次球磨，再于70～120℃烘干，过筛干燥粉中加入2wt％浓度的聚乙烯醇并充分研磨造粒，造粒粉放入模具中压制成型；将陶瓷坯体置于马弗炉中升温至300～440℃，排胶1～2h后，升温至950～1050℃，保温1～2min，降温至900～1000℃，烧结6～10h，随炉冷却至室温，制备所需陶瓷。本发明涉及的两步烧结法通过巧妙控制两步烧结温度和保温时间，能避开铁酸铋‑钛酸钡基陶瓷中杂相的生成温度区间，所制备的陶瓷的结晶性良好、成分均匀、晶粒细小、介电损耗低、绝缘性和压电性能优异。

技术领域

本发明属于无铅压电陶瓷领域，具体涉及一种掺杂型铁酸铋-钛酸钡基无铅压电陶瓷材料的制备方法及应用。

背景技术

压电陶瓷可实现电能与机械能相互转换，是完成机电一体化、结构部件智能化等技术的重要功能材料，已广泛应用在社会生产、生活的各个领域。压电陶瓷的市场规模巨大，2009年全球压电驱动相关产品市场规模达到66亿美元，并每年按13％左右的速度增长。锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O₃,PZT)压电陶瓷因其具有优异的综合性能而占据了市场的主导地位，但Pb是一种有毒元素，在制造、应用和废弃处理过程中都会对人体健康和环境造成极大危害。发展高性能的无铅压电陶瓷成为必然趋势。

铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷同时具有优异的压电性能(d₃₃＝200～402pC/N)和高的居里温度(T_C～500℃)，作为高温无铅压电陶瓷受到关注。但该体系的烧结温度范围窄，易生成富铋相(Bi₂₅FeO₃₉/Bi₂₂Fe₂O₃₆)和富铁相(Bi₂Fe₄O₉)等杂相。同时，Bi₂O₃在高温下容易挥发，使得铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷在烧结过程中成分偏离最佳配比，产生大量氧空位，导致漏电流增大，高电场和高温下充分极化困难，压电性能较低。专利CN111320468采用一步焙烧、烧结制备工艺制备掺杂型铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷，其制备过程中包括直接混料、造粒、压片、排胶、焙烧、烧结，其中排胶、焙烧、烧结通过设置不同的温度一步完成，与本发明的烧结工艺相比，很明显存在以下问题：排胶不充分、焙烧不充分，且没有经过二次球磨等工序影响原料混合均匀性等。专利CN111320468提供的一步焙烧、烧结快速制备工艺是否会影响陶瓷样品的相组成、介电和压电性能还有待商榷。

在保持传统固相烧结法相同的前期工序(球磨混料、烘干、焙烧、二次球磨混料、造粒、压片)的基础上，两步烧结技术通过升温至较高的第一步烧结温度后短时间保温，使陶瓷坯体达到中等程度的相对密度，随后迅速降温至第二步烧结温度进行长时间保温，可获得晶粒尺寸小而致密度高的陶瓷材料。除此之外，两步烧结法通过巧妙控制烧结温度和保温时间，能避开铁酸铋-钛酸钡陶瓷中杂相的生成温度区间，较低的第二步烧结温度可抑制和减少Bi₂O₃的挥发，有利于获得绝缘性和压电性能优异的陶瓷。到目前为止，利用两步烧结法制备掺杂型铁酸铋-钛酸钡基陶瓷的研究鲜有报道。

发明内容

本发明是要解决传统固相烧结法制备铁酸铋-钛酸钡基陶瓷压电性能差、漏电流严重的问题，而提供一种掺杂铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：