新型铁电固溶体铌镱酸钡-钛酸铅及其制备方法和用途的制作方法

专利名称：新型铁电固溶体铌镱酸钡-钛酸铅及其制备方法和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的电功能材料，特别是涉及一种新型的铁电陶瓷材料。 具体而言，本发明涉及到具有MPB结构且居里温度相对较高的铁电材料，以及 陶瓷的制备方法、结构和电学性能。
背景技术：
铁电材料由于其优异的性能在医学、国防、民用等方面有着广泛而实际的 应用。经历大约六十年的发展历程，已经发展为具有优异压电性能的倍受人们关注的阶段(l-x)Pb(Mg1/3Nb2/3) 03 -xPbTi03 (简称PMN-PT^n(l-:c)Pb(Zn1/3Nb2/3)3 -^131103(简称PZN-PT)体系。PMN-PT和PZN-PT由于其高的机电耦合系 数&3> 90%)和超高压电系数(&〉 2000)而成为新一代的超声换能器、传感器和 驱动器的核心压电材料。但是此类材料有几类缺陷，如居里温度低(140-170 。C) 和MPB相变温度低(< 80 。C)，容易退极化，实际应用的温度范围窄；含铅量大， 在使用过程中给环境和人类健康造成危害；介电常数不够高，在介电方面的应 用受到限制等。因此，我们希望探索一种新型的高居里点、高性能的无铅、少 铅铁电材料，以适用当前铁电材料的发展要求。(l-x)Ba(Mg1/3Nb2/3)03-xPbTi03 (BMN-PT)和(l-x)Ba(Zn"3Nb2/3) 03 - xPbTi03(简称BZN-PT)作为新型的少铅铁 电材料的研究己经有所报导，它们在一定程度上减少了铅对环境和人类的危害 问题，但是居里温度仍不够高，所以，我们希望找到一种居里点更高，性能更 好的固溶体系。以PbTi03为基的铁电固溶体由于具有优越的压电性能，使其在机电转换方 面的应用得到广泛的关注，而这种好的压电性能通常出现在准同型相界附近。因为在体系的准同型相界附近，材料处于更易随电场反转的多畴状态，具有高的电学活性，从而具有高的压电效应。同时，由于处于MPB中的两相能量比较 接近，这使得它们之间更容易发生能量耦合，从而产生高的耦合系数。因此， 具有MPB结构的铁电固溶体系成为寻找性能优越的铁电材料的一个重要方向。 关于(l-x)Pb(Yb^Nbv2)03-xPbTi03(简称PYN-PT)的研究，已有不少报导， 它的性能很好，但结构不稳定、含铅量又高，应用上受到限制。而在PYN-PT中 添加少许的B,可以起到稳定结构的作用，这也提示了我们来研究BYN-PT固 溶体系。与PYN-PT相比，该体系的铅含量减低，减少对人类和生态环境的危 害；另一方面，随着PT含量的增加，BYN-PT呈现从介电体到介电弛豫体，到 弛豫铁电体，再到普通铁电体的连续过渡，这为深入了解钙钛矿型铁电固溶体的 结构性能研究提供了理想的研究对象。因此，我们开展对BYN-PT固溶体系的 研究。通过陶瓷材料的制作来确定MPB区域，测定陶瓷的结构、介电和铁电性 能，进一步研究MPB区域组分的单晶生长、结构和性能，并且系统研究该体系 的结构与性能之间的关系，为探索新型铁电固溶体系提供指南。

发明内容
本发明的目的在于公开一种全新的铁电固溶体系(l-x)Ba(Yb^Nb^ -xPbTi03 (0 < x < 1)，简称BYN國PT。为实现本发明目的，本发明采用如下技术方案本发明制备的新型铁电固溶体铌镱酸铅-钛酸铅，该固溶体化学式为(l-x)Ba(Yb1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(0<x<l)，属于钙钛矿型结构。该固溶体陶瓷 存在准同型相界，且组成范围为0.65 <x< 0.70。本发明采用改进的两步法制备，包括如下步骤将初始原料BaC03、 Yb203 和Nb205按照Ba(Yb1/2Nb1/2)03分子式的化学计量比进行称重，混合研磨，在1450°C恒温6 h合成纯的Ba(Yb1/2Nb1/2)03;然后，将合成得到的Ba(Yb1/2Nb1/2)03 按照不同的比例与PbO和Ti(V混合研磨，在950 — 1250 °C恒温4 h，得到(l -x)Ba(Yb^N^/2)03-xPbTi03不同组成的预合成粉末，将其研磨、烘干，在1200 —1300 °C烧结，得到(l - x)Ba(Yb1/2Nb1/2)03 - xPbTi03的陶瓷样品。本发明制备的新型铁电固溶体铌镱酸铅-钛酸铅用于机电换能器，激励器， 电容器，驱动器，微波通讯，微波介电，滤波器，超声振荡器和压电蜂鸣器领 域。本发明是基于寻找新型的具有MPB结构的铁电固溶体系而进行的。 BYN-PT作为具有弛豫性的铁电固溶体系，具有很好的研究价值。首先合成粉末， 用X-射线粉末衍射确定结构，并初步找到MPB区域，进一步摸索烧结条件，完 成陶瓷的合成。然后，对其介电性质和铁电性质进行测试分析，通过以上的分 析确定相图及MPB区域。


图1 BYN-PT的粉末衍射图谱，其中a: x = 0.20， b: x = 0.30， c: x = 0.50, d: x = 0.60， e: :c = 0.65, f: x = 0.66， g: x = 0.67， h: x = 0.68, i: x = 0.69, j: x = 0.70， k: x = 0.80。图2 BYN—PT陶瓷部分(200)衍射峰的分裂情况。图3 (a)—图3 (c)为BYN—PT陶瓷部分(200)衍射峰的拟合结果。图4BYN-PT体系不同组成的电滞回线。图5为BYN—PT陶瓷的相图。
具体实施例方式例1:采用改进的两步法制备BYN-PT固溶体的陶瓷样品(1)先合成BYN，按一定的化学计量比称取BaC03、 Yb203和Nb2Os原料，加无水乙醇和丙酮，研磨l一2h，压片，1400。C恒温6h ， 300。C/h升降温。(2) 合成后的BYN样品加无水乙醇和丙酮，研磨l一2h备用。(3) 按照一定的化学计量比称取BYN、 PbO和Ti02，加无水乙醇和丙酮， 研磨l一2h，压片，在950—1240。C温度范围进行合成，得到x为0-0.9组成范 围的BYN-PT胚体。(4) 加无水乙醇和丙酮充分研磨，加5wt。/。的PVA压片，先以150。C/h的 速度升至600。C， 恒温1.5h去除PVA,然后在1200—1600。C恒温4h ， 300 。C/h升降温，得到陶瓷样品。以上得到的样品即为本发明研制的铁电陶瓷，其具体的制备条件如表1所示。例2:陶瓷的结构确定。采用X —射线粉末衍射，确定陶瓷的结构。所用仪器为日本RIGAKU — DMAX2500粉末衍射仪(Cu耙，/1 = 0.154056 nm,石墨单色仪)，具体测试条 件为室温下，测量角度范围为10-80°，采用的步长为0.02° (20)，时间2sperstep。 得到的粉末衍射结果如图1和2所示。将得到的(200)峰进行拟合得到如图3所 示的结果，从而更清楚地看出其变化的情况。例3:陶瓷的电学性能测量。将陶瓷样品磨薄、抛光，两面涂上银胶，用于铁电性和介电性的测量。 铁电性的测量所用仪器为7F2000标准铁电测量系统，温度条件为室温，所加频率为2 Hz。具体的测量结果如图4所示。介电性的测量所用仪器为阿尔法介电/阻抗高分辨率分析仪(Novolcontro1，German),测温范围-150 500 。C，频率范围0.01 100 kHz,小信号测试电压0.3 Vrmso表l BYN—PT陶瓷的制备条件煅烧温度(°c)烧结温度(°c)恒温时间(h)10BYN-90PT9201240420BYN-80PT9301220430BYN-70PT9501200431BYN-69PT9501205432BYN-68PT9501205433BYN-67PT9501205434BYN-66PT9501205435BYN-65PT9501205436BYN-64PT9501210437BYN-63PT9501210438BYN-62PT9501210439BYN-61PT9501210440BYN-60PT9501210445BYN-55PT10001220450BYN-45PT10001220460BYN-40PT11501240470BYN-30PT12001240480BYN-20PT12201270490BYN-10PT124013004BYN16001600权利要求
1.一种新型铁电固溶体铌镱酸铅-钛酸铅，其特征在于该固溶体化学式为(1-x)Ba(Yb1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3(0＜x＜1)，属于钙钛矿型结构。
2. 如权利要求l所述的新型铁电固溶体铌镱酸铅-钛酸铅，其特征在于该固溶 体陶瓷存在准同型相界，且组成范围为0.65 <x< 0.70。
3. —种权利要求1所述的新型铁电固溶体铌镱酸铅-钛酸铅的制备方法，其特征 在于采用改进的两步法制备，包括如下步骤将初始原料BaC03、 Yb203 和Nb205按照Ba(Yb^Nb^)03分子式的化学计量比进行称重，混合研磨，在 1450 °C恒温6 h合成纯的Ba(Yb1/2Nb1/2)03;然后，将合成得到的 Ba(Yb1/2Nb1/2)03按照不同的比例与PbO和Ti02混合研磨，在950 —1250 。C恒 温4h，得到(l-《8&(￥131/2她1/2)03-^151103不同组成的预合成粉末，将其研 磨、烘干，在1200—1300 。C烧结，得到(l-^83(丫1 1/2满1/2)034 1)1103的陶 瓷样品。
4. 一种权利要求1所述的新型铁电固溶体铌镱酸铅-钛酸铅的用途，其特征在 于该材料用于机电换能器，激励器，电容器，驱动器，微波通讯，微波介 电，滤波器，超声振荡器和压电蜂鸣器领域。
全文摘要
本发明涉及新型铁电固溶体铌镱酸钡-钛酸铅及其制备方法和用途。该陶瓷具有钙钛矿型结构，其化学式为(1-x)Ba(Yb_1/2Nb_1/2)-xPbTiO₃(0＜x＜1)。其制备是采用改进的两步法完成的。通过X-射线粉末衍射，确定该体系的钙钛矿结构，通过铁电和介电测量，分析了其铁电性和介电性。基于结构和介电性的测量分析，确定了该陶瓷体系的二元无限混溶体相图。
文档编号C04B35/49GK101618965SQ200810071329
公开日2010年1月6日 申请日期2008年7月3日 优先权日2008年7月3日
发明者李修芝, 王祖建, 倩 魏, 龙西法 申请人:中国科学院福建物质结构研究所