一种高应变铁酸铋基无铅压电陶瓷及其制备方法与流程

本发明属于无机非金属材料领域，具体涉及一种高应变铁酸铋基无铅压电陶瓷及其制备方法。

背景技术：

1、随着电子科学与信息技术的快速发展，电子设备逐渐向小型化、集成化、轻量化发展。压电陶瓷属于重要的功能性材料，在军事、航空航天、电动汽车以及电子元器件中都有着十分广泛的应用。随着社会和科技的大力发展，能源消耗严重，环境恶化，促使电子元器件向小型化、轻量化、和无铅化推进。研究开发拥有高压电性能的无铅压电陶瓷是一项具有重大社会意义和经济价值的课题，也是近些年来压电材料领域的发展趋势和研究重点。

2、传统压电陶瓷以锆钛酸铅为主，其压电性能优秀且温度稳定性高。在无铅压电材料中，铁酸铋-钛酸钡二元体系无铅压电陶瓷因准同型相界的存在使得材料的电致应变较大，通常被认为是优秀的铅基陶瓷替代材料之一。研究者通过单元素或多元素掺杂改性的铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷的应变性能有所提高，但是居里温度降低、漏电流变大、击穿强度不高。为克服上述问题，需要在对铁酸铋基无铅压电陶瓷改性提高压电性能和介电性能，同时提高材料致密度和击穿强度并有效降低漏电流。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中所提出的问题，本发明提供了一种可用于掺杂改性钙钛矿结构盐类，铁酸铋基三元体系无铅陶瓷材料及其制备方法，其克服了现有技术中铁酸铋-钛酸钡二元体系无铅压电陶瓷的缺陷，提高了致密度，实现了高应变、高居里温度等特性。

2、本发明一个方面提供了一种铁酸铋基三元压电陶瓷组合物，其是由组成通式(1-x-y)bifeo3-xbatio3-ym表示，

3、其中0.25<x<0.35，0.005<y<0.08；掺杂物m选自bahfo3、casio3、mgsio3、besio3、srsio3、srsno3、biyo3、sbyo3、sbgao3、biyo3、ygao3或laalo3。

4、进一步地，0.28<x<0.34，0.01<y<0.08；更进一步，0.30<x<0.32，0.01<y<0.03。

5、本发明一个方面提供了上述铁酸铋基三元压电陶瓷组合物的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

6、1)根据待制备的铁酸铋基三元压电陶瓷组合物的组成通式计算称量原料，加入溶剂后辊磨得到原料混合浆料；

7、2)将步骤1)所得原料混合浆料烘干并研磨成原料粉料；

8、3)将步骤2)所得原料粉料进行预烧并得到预烧陶瓷粉料；

9、4)将步骤3)所得预烧陶瓷预烧粉料进行高速球磨后得到陶瓷混合浆料；

10、5)将步骤4)所得陶瓷混合浆料烘干并研磨成陶瓷研磨粉料；

11、6)在步骤5)所得陶瓷研磨粉料中加入粘结剂溶液，搅拌均匀，造粒得到造粒粉料；

12、7)将步骤6)所得造粒粉料压制成为片状胚体；

13、8)将步骤7)所得片状胚体进行烧结，制得到所述铁酸铋基三元压电陶瓷组合物；

14、其中原料包括用于生成bifeo3和0.30batio3的bi2o3、fe2o3、tio2和baco3，还包含用于生成钙钛矿结构盐类abo3的baco3、caco3、mgco3、srco3、la2o3、al2o3、nb2o5、hfo2、sno2、ga2o3、sb2o5、in2o3、y2o3、beo、sio2中所需原料。

15、进一步地，步骤1)中计算称量原料的方法为：

16、s11)确认组成通式中各阳离子的配比，

17、s12)确认原料用量，以保证原料中阳离子的摩尔比例与组成通式中各阳离子的配比一致。

18、进一步地，步骤1)中溶剂为有机溶剂，进一步地，有机溶剂选自乙醇、丙酮。

19、进一步地，步骤1)中辊磨所用锆球、原料、溶剂的质量比为(1～5):1:(0.5～2)；更进一步为2:1:0.5。

20、进一步地，步骤1)中，所述辊磨的转速为400～1000rpm，所述辊磨的时间为6～24h。

21、进一步地，步骤1)中还包括以高温去除原料中结晶水、碳酸盐的步骤。

22、进一步地，步骤2)为将步骤1)所得原料混合浆料在80～120℃下烘干5～24h成固体，研磨成原料粉料；

23、进一步地，步骤3)为将步骤2)所得原料粉料置于容器中，以5～10℃/min的升温速率升温至600～900℃，保温2～4h进行预烧，之后随炉冷却，得到预烧陶瓷粉料。

24、进一步地，步骤4)为将步骤3)所得预烧陶瓷粉料置于球磨机中，以无水乙醇为溶剂、氧化锆球为介质进行辊磨得到混合浆料；

25、优选地，所述氧化锆球、步骤3)所得预烧后的陶瓷粉料、无水乙醇的质量比为(5-20):1:(0.5～2)。

26、优选地，所述球磨的转速为200～800rpm，所述球磨的时间为3～24h。

27、进一步地，步骤5)具体为：将步骤4)所得混合浆料在80～120℃下烘干5～24h成固体，研磨后过200目筛网，得到陶瓷研磨粉料。进一步地，步骤6)中粘结剂选自乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇。

28、进一步地，步骤6)中粘合剂为质量分数为6～12％的聚乙烯醇缩丁醛溶液。

29、进一步地，步骤6)粘合剂的质量为步骤5)所得陶瓷研磨粉料质量的20-40％。

30、进一步地，步骤7)压制的压力为80～254mpa。更进一步为120-135mpa。

31、优选地，步骤8)中烧结的温度为1～3℃/min的升温速率升温至550～600℃，恒温2～4h排除聚乙烯醇缩丁醛粘结剂，之后继续以5～10℃/min的升温速率升至选定的烧结温度950～1400℃，保温2～4h，并以5～10℃/min的降温速率冷却至室温。

32、本发明再一个方面提供了多层陶瓷制动器，其包含由上述铁酸铋基三元压电陶瓷组合物构成的介质材料。

33、本发明的有益效果为：

34、本发明涉及的铁酸铋基无铅陶瓷材料具有优异的致密度(>95％)、较高的应变性能、高居里温度等特性，在60kv/cm电场下应变范围为0.09～0.35％左右，对应的逆压电系数在150～583pm/v之间，居里温度在350～500℃之间。

35、同时本发明采用的固相烧结工艺技术操作简单、成本低，适合规模化生产，制备得到的铁酸铋基三元体系无铅陶瓷材料可用做多层陶瓷制动器的介质材料。

技术特征：

1.一种铁酸铋基三元压电陶瓷组合物，其特征在于，其由组成通式(1-x-y)bifeo3-xbatio3-ym表示，

2.根据权利要求1所述的铁酸铋基三元压电陶瓷组合物，其特征在于，0.28<x<0.34，0.01<y<0.08；

3.权利要求1或2所述铁酸铋基三元压电陶瓷组合物的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中计算称量原料的方法为：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤3)为将步骤2)所得原料粉料置于容器中，以5～10℃/min的升温速率升温至600～900℃，保温2～4h进行预烧，之后随炉冷却，得到预烧陶瓷粉料。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤5)具体为：将步骤4)所得混合浆料在80～120℃下烘干5～24h成固体，研磨后过200目筛网，得到陶瓷研磨粉料。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤6)中粘结剂选自乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇；

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤7)压制的压力为80～254mpa；优选为120～135mpa。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤8)中烧结的温度为1～3℃/min的升温速率升温至550～600℃，恒温2～4h排除聚乙烯醇缩丁醛粘结剂，之后继续以5～10℃/min的升温速率升至选定的烧结温度950～1400℃，保温2～4h，并以5～10℃/min的降温速率冷却至室温。

10.一种多层陶瓷制动器，其特征在于，其包含由权利要求1或2所述的铁酸铋基三元压电陶瓷组合物构成的介质材料。

技术总结本发明提供一种高应变铁酸铋基无铅压电陶瓷及其制备方法，其由组成通式(1‑x‑y)BiFeO<subgt;3</subgt;‑xBaTiO<subgt;3</subgt;‑yM表示，其中，0.25<x<0.35，0.005<y<0.08；掺杂物M选自BaHfO<subgt;3</subgt;、CaSiO<subgt;3</subgt;、MgSiO<subgt;3</subgt;、BeSiO<subgt;3</subgt;、SrSiO<subgt;3</subgt;、SrSnO<subgt;3</subgt;、BiYO<subgt;3</subgt;、SbYO<subgt;3</subgt;、SbGaO<subgt;3</subgt;、BiYO<subgt;3</subgt;、YGaO<subgt;3</subgt;或LaAlO<subgt;3</subgt;。本发明的铁酸铋基无铅陶瓷材料具有优异的致密度(>95％)、较高的应变性能、高居里温度等特性，同时本发明采用的固相烧结工艺技术操作简单、成本低，适合规模化生产，制备得到的铁酸铋基三元体系无铅陶瓷材料可用做多层陶瓷制动器的介质材料。技术研发人员：赵健伟,覃海兰,陈小欣,黎洪天,孙蓉受保护的技术使用者：深圳先进电子材料国际创新研究院技术研发日：技术公布日：2024/5/29