[发明专利]一种铁酸铋-钛酸钡基无铅压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种铁酸铋‑钛酸钡基无铅压电陶瓷材料及其制备方法。所述铁酸铋‑钛酸钡基无铅压电陶瓷材料的化学组成为xBiFeO₃‑yBaTiO₃‑zBi(Mg_0.5Hf_0.5)O₃；其中，x+y+z=1，x=0.6～0.85，y=0.15～0.35，z=0～0.05。

技术领域

本发明涉及一种高居里温度、高电阻率、大电致应变铁酸铋-钛酸钡基无铅压电陶瓷及其制备方法，属于无铅压电陶瓷材料领域。

背景技术

基于压电陶瓷可以实现电信号和机械应变的相互转化的特点，其已经被做成传感器、压电换能器、驱动器等器件，广泛应用于航空航天、水声探测、无损检测等众多领域，但是在一些极端环境应用的时候，比如高温高压环境，对压电陶瓷材料提出了更高的性能要求。目前高温压电陶瓷主要包括钨青铜结构、钙钛矿结构、铋层状结构、类钙钛矿等四大类。铁酸铋(BiFeO₃)高温压电陶瓷属于其中的钙钛矿类，相比于其他三类，不仅具有较高的居里温度，还具有高的压电性能。但是BiFeO₃较大的漏电流，较低的高温电阻率限制其应用。将BiFeO₃于钛酸钡(BaTiO₃)复合后的二元体系可以很好地降低材料的漏电流，并提高压电性能，但是也伴随居里温度的降低。如何平衡居里温度、高温电阻率和压电性能三者的关系，获得性能优异的组分并满足生产应用的要求，是亟待解决的关键问题。

通常在铁电材料中固溶弛豫铁电体，会发生铁电向弛豫铁电体的转变，其转变组分被称为第二类准同型相界。而在这一范围中的铁电弛豫陶瓷材料往往表现出优异的压电性能，比如在锆钛酸铅(PZT)中复合铌镁酸铅(PMN)可以获得较大的电致应变。在弛豫铁电材料中，铪镁酸铋(BMH)的弛豫程度较常见的钛镁酸铋(BMT)、锆镁酸铋(BMZ)等弛豫铁电体更强。在铁酸铋-钛酸钡(BF-BT)中复合BMH，并调整BF和BT的比例，或许可以获得铁电向弛豫铁电体转变的过度组分，获得兼具高居里温度、大电致应变和高电阻率的无铅压电陶瓷材料。

发明内容

为了在无铅压电陶瓷材料中同时获得高居里温度、高电阻率和大应变值，本发明提供了一种高居里温度、高电阻率和大应变的固溶铪镁酸铋的铁酸铋-钛酸钡陶瓷材料及其制备方法，该材料及其方法所得的效果使压电陶瓷材料兼具高电阻率和大应变值，以满足高温无铅压电驱动器用压电陶瓷材料的要求。

一方面，本发明提供了一种铁酸铋-钛酸钡基无铅压电陶瓷材料，所述铁酸铋-钛酸钡基无铅压电陶瓷材料的化学组成为xBiFeO₃-yBaTiO₃-zBi(Mg_0.5Hf_0.5)O₃；其中，x+y+z＝1，x＝0.6～0.85，y＝0.15～0.35，z＝0～0.05。

本发明中，关键在于调整铁酸铋与钛酸钡的比例降低漏电流，并提高电阻率，本发明人通过研究表明，降低配方中铁酸铋的含量可以提高电阻率，并发生铁电-弛豫相变。在此基础上，进一步选用弛豫程度高的铪镁酸铋(BMH)掺杂，增加组分的无序度，在保证较高居里温度的前提下，完成铁电-弛豫相变，获得具有大应变值得弛豫铁电陶瓷材料。

较佳的，y＝0.25～0.35，z＝0.05。

较佳的，所述铁酸铋-钛酸钡基无铅压电陶瓷材料在300℃下的电阻率＞10⁴，优选＞10⁶。

较佳的，所述铁酸铋-钛酸钡基无铅压电陶瓷材料的居里温度＞300℃。

较佳的，所述铁酸铋-钛酸钡基无铅压电陶瓷材料的电致应变≥0.02％，优选＞2％。