一种层状复合无铅弛豫铁电材料及其制备方法与流程

本发明属于压电陶瓷，具体涉及一种层状复合无铅弛豫铁电材料及其制备方法。

背景技术：

1、近几年，无铅弛豫铁电材料被广泛关注，主要原因是它具有电致相变的物理现象，从而可以获得较高的电致应变，非常适合用于压电致动器等应用。

2、但是无铅弛豫铁电材料的商业化面临较大的挑战，因为其需要较高的外加电场(60～80kv/cm)才能激发出较大的电致应变，而商用一般要求外加电场≤30kv/cm，现有无铅弛豫铁电材料在低驱动电场下激发出的应变较小。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中无铅弛豫铁电材料在低驱动电场下激发出的应变较小的缺陷，从而提供一种层状复合无铅弛豫铁电材料及其制备方法。

2、为此，本发明提供了以下技术方案。

3、第一方面，本发明提供了一种层状复合无铅弛豫铁电材料，包括依次设置的第一弛豫铁电层、铁电层和第二弛豫铁电层；所述层状复合无铅弛豫铁电材料中，0＜铁电层质量百分比＜30％。

4、进一步的，所述第一弛豫铁电层为mbi0.5na0.5tio3-(1-m)srtio3陶瓷，0.7≤m≤0.8；可选的，为0.75bi0.5na0.5tio3-0.25srtio3陶瓷；

5、进一步的，所述铁电层为nbi0.5(na0.84k0.16)0.5tio3-(1-n)srtio3，0.9≤n≤1；可选的，为0.96bi0.5(na0.84k0.16)0.5tio3-0.04srtio3陶瓷；

6、进一步的，所述第二弛豫铁电层为pbi0.5na0.5tio3-(1-p)srtio3陶瓷，0.7≤p≤0.8；可选的，为0.75bi0.5na0.5tio3-0.25srtio3陶瓷。

7、进一步的，所述层状复合无铅弛豫铁电材料中，第一弛豫铁电层和第二弛豫铁电层的质量百分比相同。

8、进一步的，第一弛豫铁电层表面设置有第一电极层，第二弛豫铁电层表面设置有第二电极层。第一电极层和第二电极层均为银电极。

9、第二方面，本发明提供了一种层状复合无铅弛豫铁电材料的制备方法，包括以下步骤：

10、将第一弛豫铁电层的粉体放入模具中，进行第一次预压；

11、将铁电层的粉体加入模具中，进行第二次预压；

12、将第二弛豫铁电层的粉体加入模具中，进行最终压制，获得陶瓷坯体；

13、将陶瓷坯体进行烧结，制得层状复合无铅弛豫铁电材料。

14、进一步的，所述第一次预压和第二次预压的压力均小于最终压制的压力。

15、进一步的，满足以下条件中的至少一项：

16、(1)所述第一次预压的压力为10～30mpa；

17、(2)所述第二次预压的压力为10～30mpa；

18、(3)所述最终压制的压力为100～150mpa。

19、进一步的，满足以下条件中的至少一项：

20、(1)第一弛豫铁电层的粉体为mbi0.5na0.5tio3-(1-m)srtio3粉体，0.7≤m≤0.8；

21、(2)铁电层的粉体为nbi0.5(na0.84k0.16)0.5tio3-(1-n)srtio3粉体，0.9≤n≤1；

22、(3)第二弛豫铁电层的粉体为pbi0.5na0.5tio3-(1-p)srtio3粉体，0.7≤p≤0.8；

23、(4)将第一弛豫铁电层的粉体放入模具前将其进行造粒；

24、(5)将铁电层的粉体加入模具中前将其进行造粒；

25、(6)将第二弛豫铁电层的粉体加入模具中前对其进行造粒。

26、进一步的，所述烧结为1050～1150℃下保温2～4h。可以进一步提高钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的温度稳定性。

27、进一步的，还包括在所述层状复合无铅弛豫铁电材料表面涂覆银浆，500～550℃下烧结1～3h。

28、第一弛豫铁电层的粉体(bnt-st粉体)采用传统固相法制备粉体，具体的制备方法包括：由原料bi2o3、na2co3、srtio3、tio2经过混料、球磨、烘干、预烧、二次球磨、干燥mbi0.5na0.5tio3-(1-m)srtio3陶瓷粉体。

29、第二弛豫铁电层的粉体(bnt-st粉体)与第一弛豫铁电层粉体的制备方法相同。

30、铁电层的粉体(bnkt-st粉体)采用传统固相法制备，具体的制备方法包括：由原料bi2o3、na2co3、k2co3、tio2、srtio3经过混料、球磨、烘干、预烧、二次球磨、干燥制备nbi0.5(na0.84k0.16)0.5tio3-(1-n)srtio3粉体。

31、制备bnt-st粉体和/或bnkt-st粉体的过程满足以下条件中的至少一项：

32、(1)球磨时间为16～24h；

33、(2)烘干工艺为110～150℃干燥12～24h；

34、(3)预烧温度为750～900℃，2～3h；

35、(4)二次球磨时间为16～24h。

36、将第一弛豫铁电层的粉体、铁电层的粉体、第二弛豫铁电层的粉体进行造粒分别独立的包括：在粉体中加入粉体质量3wt％～7wt％的聚合物水溶液进行造粒。聚合物包括聚乙烯醇(pva)、聚乙烯酮(pvp)或聚丙烯酸(paa)中的至少一种，聚合物水溶液的质量浓度为5～10％。

37、将陶瓷坯体进行烧结前还包括去除聚合物的步骤：将陶瓷坯体在550～650℃下保温1～3h去除聚合物。去除聚合物后继续升温至烧结温度进行烧结。冷却后在烧结产物表面均匀涂敷银浆，再次进行烧结。

38、本发明技术方案，具有如下优点：

39、1.本发明的层状复合无铅弛豫铁电材料包括依次设置的第一弛豫铁电层、铁电层和第二弛豫铁电层；所述层状复合无铅弛豫铁电材料中，0＜铁电层质量百分比＜30％。

40、本发明利用弛豫/铁电2-2复合的方法，设计层状复合无铅弛豫铁电材料，并限定所述层状复合无铅弛豫铁电材料中，0＜铁电层质量百分比＜30％，提高弛豫铁电层陶瓷的分压，使其在较低的电场下激发弛豫铁电体层产生由弛豫铁电体到铁电体的相变，从而在低电场下获得较大的应变性能。本发明提供了一种兼具低驱动电场和大应变的层状复合无铅弛豫铁电材料。

41、由于弛豫铁电层的介电常数比铁电层大很多，所以复合材料中的弛豫铁电层两端的电压比外加电场高，而铁电层两端的电场低于外加电场，这样就可以在较低的电场下激发弛豫铁电层产生由弛豫铁电体到铁电体的相变，从而在低电场下获得较大的应变性能。

42、本发明弛豫/铁电层状复合结构在烧结过程中扩散更少，不会因为扩散导致烧结成单一相、无法实现复合而恶化基体性能。

43、2.本发明的层状复合无铅弛豫铁电材料元素种类简单，可提高产品性能的一致性。

44、3.本发明层状复合无铅弛豫铁电材料的制备过程中，所述第一次预压和第二次预压的压力均小于最终压制的压力。通过两次压力较小的预压和压力较大的最终压力，避免先后放入的粉体承受不同次数的大压力，造成粉体分布不均匀，可提高陶瓷生坯粉体均匀性。