[发明专利]一种具有高电致应变和低滞后的掺杂钛酸钡无铅陶瓷及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高电致应变和低滞后的掺杂钛酸钡无铅压电陶瓷及其制备方法，属于无机非金属材料技术领域。本发明采用传统的固相反应法制备得到具有高电致应变和低滞后的掺杂钛酸钡无铅压电陶瓷，化学式为BaTi_1‑xSn_xO₃，简写为BTSx，其中x为Sn⁴⁺的摩尔数，x的范围为0.02≤x≤0.04，该材料的合成工艺简单、成本低廉、烧结温度低(T_s＝1250～1290℃)、室温1Hz下双边电致应变bipolar S_max高达0.50％，单边电致应变unipolar S_max高达0.55％，应变滞后hys％(hys％＝△S/S_max，其中△S为交流电场强度增大或减小过程中达到最大电场一半E_max/2处的单边电致应变的变化量)低至2％，相对于BaTiO₃陶瓷，该方法制备的BaTi_1‑xSn_xO₃陶瓷的单边电致应变提高了58％，应变滞后降低了89％，居里温度T_C(101℃≤T_C≤125℃)，其在压电驱动器和致动器的制备中具有很大的应用潜力。

技术领域

本发明涉及无机非金属材料制备领域，具体涉及无铅压电陶瓷材料技术领域，提供一种具有高电致应变和低滞后的掺杂钛酸钡无铅陶瓷及其制备方法，采用传统的固相反应法制备一种具有高电致应变和低滞后的掺杂钛酸钡无铅陶瓷，具体是一种低温烧结的BaTi_1-xSn_xO₃陶瓷，该材料具有无铅无毒、不含挥发性元素、绿色环保、制备方法简单、成本低廉、适合进行工业化大规模推广的优点，在压电驱动器和致动器的制备中具有较高的工业应用价值。

背景技术

压电陶瓷以其优异的机电耦合性能，作为压电传感器、谐振器、驱动器、致动器和换能器的核心元器件，被广泛用于医疗检测、能源勘探、航空航天、汽车和消费电子等领域。半个多世纪以来，以锆钛酸铅（PZT）为代表的铅基陶瓷以其优异的压电性能和温度稳定性占据了90%以上的压电材料市场份额，但铅基陶瓷的使用和废弃带来严重的环境污染和健康危害，为保护环境和维持可持续发展，压电陶瓷材料的无铅化迫在眉睫。目前，钙钛矿结构的钛酸钡（BaTiO₃，简写为BT）基无铅压电陶瓷以其丰富的多晶相变、较高的化学稳定性、高介电性能和压电可调性成为无铅领域的研究热点之一，但其烧结温度偏高（T_s 1350℃）、室温电致应变性能一般、应变滞后大和压电性能的热稳定性差，限制了其作为压电陶瓷材料的工业应用范围。而电致应变性能是压电陶瓷用于压电驱动器的关键参数，低温烧结、高电致应变和低滞后的BaTiO₃基无铅陶瓷的研究是实现其在压电驱动器中应用的一个技术瓶颈。

发明内容