一种钛酸铋钠基无铅电致伸缩陶瓷材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电致伸缩陶瓷技术领域，特别是涉及一种钛酸铋钠基无铅电致伸缩陶瓷材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]电致伸缩是一种基本的机电耦合效应，它存在于一切固态物质之中。早期由于电致伸缩效应一般较小，不易被观察到，即使电场强度达到击穿场强，介质的场致应变也只是108数量级，较之于压电效应和磁致伸缩效应(10 6)小得多，所以在简单的固态物质中研究得很少。
[0003]与压电效应相比，电致伸缩材料具有不需要极化、重复性好、无老化等优点，所以在微位移器件、换能器等领域有重要的应用前景。目前发现在一些高介电常数的弛豫铁电体中，电致伸缩效应显著并可以应用于应用中，并且当温度处于其铁电-顺电相转变区域附近时，电致伸缩效应具有最大值。目前应用的最多的是含铅弛豫铁电体，典型的如铌锌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)，铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)为代表的一类复合钙钛矿结构的固溶体晶体，它们会因高的烧结温度导致铅挥发。因此，开发无铅电致伸缩材料是材料学领域最重要的研究课题。
[0004]常见的无铅弛豫铁电晶体有铌酸钾钠基(KNN)、钛酸铋钠(BNT)基弛豫铁电材料。其中KNN基无铅压电陶瓷，由于其居里温度高(T。= 420°C )、介电常数低、压电常数和机电耦合系数高等特性，被认为是一种很有前途取代PZT的压电材料，但是由于其差的烧结特性，和在潮湿的环境中容易发生潮解，限制了该类材料的应用[I]。
[0005]CN201210251531专利提出了一种无铅电致伸缩陶瓷材料及其制备方法，它是将铌酸钾钠基(KNN)和钛酸铋钠(BNT)组合起来，其在70kV/cm电场下电致伸缩应变水平为?
0.137%。
[0006]CN201210336994专利提出了无铅的铁电/电致伸缩陶瓷材料，它是将钛酸铋钠(BNT)和钛酸铋锶组合起来，其在80kV/cm电场下电致伸缩应变水平为?0.1%。
[0007]穆文芳等[2]报道了(Bia5Naa5)T13-BaT13-SrT13(BNT-BT-ST)陶瓷在准同型相界附近具有较高的弥散程度。Zhao [3]报道了 BNT-ST系统中发现在ST摩尔含量为0.26处存在准同型相界，在ST摩尔含量从O至0.3范围内均有一定的弛豫性。
[0008]参考文献:
[0009][I]L.Egerton, D.M.Dillon, Piezoelectric and dielectric propertiesof ceramics in the system potassium — sodium n1bate J.Am.Ceram.Soc.1959,42:438-442.
[0010][2]穆文芳，杜慧玲，史翔，杜少明，BNT-BT-ST系无铅压电陶瓷材料的介电与铁电特性[J].硅酸盐学报.2011，39:12
[0011][3]Zhao XL,Yang WZj Liu XQj Chen XM.Dielectric and ferroelectriccharacteristics of [ (Bi0 5Na0 5) 0 94Ba0 06]! xSrxTi03 ceramics.Journal of MaterialsScience!Materials in Electronics.2014 ；25:1517-26.
[0012]相关专利:
[0013][1]CN200910021571 一种大应变电致伸缩陶瓷材料及其制备方法；
[0014][2]CN201210240525 —种具有高电致伸缩系数的钛酸铋钠基无铅陶瓷及其制备方法;
[0015][3]CN201210251531 一种无铅电致伸缩陶瓷材料及其制备方法；
[0016][4]CN201210336994无铅的铁电/电致伸缩陶瓷材料。
【发明内容】
[0017]本发明的目的在于提供一种新型、无铅、应变量大的电致伸缩材料，解决现有铅基电致伸缩材料生产过程中存在的公害问题，并开发其在换能器和微位移器件方面的应用。
[0018]本发明是这样实现的。本发明提出一种无铅电致伸缩材料，其化学组成式为(1-X)(Naa5Bia5)T13-XSrT13-0.0lKNb03-ySm203_zY203式中 x = 0.45 ?0.60，y = 0.01 ?0.02，z = 0.01 ?0.04 ；x, y, z 分别表示 SrT13, Sm2O3, Y2O3相对于主成分(l-χ) (Naa5Bia5)T13-XSrT13 的摩尔比。
[0019]本发明采用固相法合成，原料为分析纯NaCO3, K2CO3, Bi2O3, T12, SrCO3, Sm2O3, Nb2O5和 Y2O30
[0020]本发明的制备方法为:
[0021]1.将分析纯原料NaCO3, Bi2O3, T12按照(Na 0.5Bi0.5) T13化学计量比称量，进行混合球磨，球磨介质为乙醇，转速为350?400r/min，球磨时间为8?10h。
[0022]将球磨好的浆料洗出，置于100°C烘箱内烘干，碾磨压实，置于马弗炉中匀速升温至800?900°C，升温速率为3°C /min,保温2?8h，炉内冷却至室温，碾磨得到粉体A。
[0023]2.将分析纯原料SrCO3, 1102按照SrT1 3的化学计量比称量，进行混合球磨，球磨介质为乙醇，转速为350?400r/min，球磨时间为8?10h。
[0024]将球磨好的浆料洗出，置于100°C烘箱内烘干，碾磨压实，置于马弗炉中匀速升温至1150?1200°C，升温速率为3°C /min，保温2?8h，炉内冷却至室温，碾磨得到粉体B。
[0025]3.将分析纯原料K2CO3, Nb2O5按照KNbO 3的化学计量比称量，进行混合球磨，球磨介质为乙醇，转速为350?400r/min，球磨时间为8?10h。
[0026]将球磨好的浆料洗出，置于100°C烘箱内烘干，碾磨压实，置于马弗炉中匀速升温至750?850°C，升温速率为3°C /min，保温2?8h，炉内冷却至室温，碾磨得到粉体C。
[0027]4.将粉体A，B，C，Sm2O3和Y2O3按合成通式的化学计量比在乙醇介质中球磨得到楽料，置于80?100°C烘箱中烘干，碾磨，得到粉体D ;其中X = 0.45?0.60，y = 0.01?0.02，z = 0.01 ?0.04。
[0028]5.向粉体D中加入质量分数为总粉体质量的3?5%、质量浓度为5%的聚乙烯醇溶液造粒，然后在8?1Mpa压力下压制成直径为10?12mm、厚度为0.8?Imm的小圆片，于600?650°C排胶6?8h，所得圆片在1180?1220°C烧结2?4h，炉内冷却至室温，即得到烧成陶瓷。
[0029]6.对样品进行表面处理，用2000目砂纸抛光，清洗，烘干之后，均匀刷上有机银浆，在800?830°C烧银，时间为10?15分钟。之后炉内冷却得到含有电极的陶瓷样片。
[0030]本发明的电致伸缩材料在室温下具有立方结构；介电峰在20?50°C温度范围内有良好的介电弛豫性能，弥散系数γ大于1.9;室温IkHz下介电常数大于3500，介电损耗低于0.02 ;电滞回线细长，在40kv/cm电场下最大应变量为0.3%。
[0031]本发明的原理是这样的。我们在实验中发现(1-X)Bia5Naa5T13-X(SrT13)系统中ST摩尔含量在0.45至0.60的范围内，通过稀土元素掺杂可以实现大的室温弛豫性，从而实现在大的室温电致伸缩效应。本发明的室