一种高应变钛酸铋钠基陶瓷及其制备方法与流程

本发明属于压电陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种高应变钛酸铋钠基陶瓷及其制备方法。

背景技术：

利用材料电与机械位移的相互转换特性，压电陶瓷材料在传感器、制动器和换能器等方面表现出极为重要的作用，可广泛地应用于通信、家电、航空、探测和计算机等诸多领域。但是目前大规模使用的压电陶瓷以pbzr1-xtixo3(pzt)等为主的铅基压电陶瓷。铅基压电陶瓷的原料中pbo或pb3o4约占总量的70％，并且pbo或pb3o4在陶瓷的烧结过程中容易挥发。含铅压电陶瓷在生产、废弃以及回收过程中给自然环境带来了极大的危害，很难满足环保的使用要求。钛酸铋钠(na0.5bi0.5tio3，bnt)基无铅压电陶瓷由于较高的应变性能得到了广泛的研究。通常采用与其它铁电或者非铁电钙钛矿材料形成准同型相界以进一步提高应变。虽然材料在更高场强下具有更高的应变，但是过高的场强限制了它们的实际应用。m.acosta,etal.core-shelllead-freepiezoelectricceramics:currentstatusandadvancedcharacterizationofthebi1/2na1/2tio3-srtio3system.j.am.ceram.soc.2015,98(11):3405-3422文章中对比了不同系列的无铅压电陶瓷，发现bnt基材料在45kvcm^-1电压下具有最大的动态压电常数d33^*，即smax/emax，约700pm/v。进一步，r.a.malik,etal.temperature-insensitivehighstraininlead-freebi0.5(na0.84k0.16)0.5tio3-0.04srtio3ceramicsforactuatorapplications.j.am.ceram.soc.2015,98(12):3842-3848文中通过对bnt-bkt-st体系进行li、nb双掺杂，使bnt基材料的压电常数d33^*提高到755pm/v。但是对于实际应用而言，无铅压电材料的应变还需要进一步提高，尤其是解决材料在较低场强下应变较低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无铅高应变钛酸铋钠基陶瓷及其制备方法，旨在解决现有压电材料在电场诱发下应变较小的问题。

本发明是这样实现的，一种高应变钛酸铋钠基陶瓷，所述高应变钛酸铋钠基陶瓷的化学计量比为：0.8(bina)0.5-x(lali)xtio3-0.2bi0.5k0.5tio3；x＝0.006-0.012。

本发明的另一目的在于提供一种所述高应变钛酸铋钠基陶瓷的制备方法，所述高应变钛酸铋钠基陶瓷的制备方法包括以下步骤：

步骤一，根据0.8(bina)0.5-x(lali)xtio3-0.2bi0.5k0.5tio3化学配比称量对应量的分析纯bi2o3，na2co3、tio2、k2co3、li2co3和la2o3；

步骤二，将配好的料放入以酒精为介质、锆球为磨球的尼龙罐中球磨6h-8h；

步骤三，将球磨好的料烘干过筛后并压成大块，在800℃预烧4h-6h得到预烧粉；

步骤四，将预烧粉再次放入球磨罐中研磨10h-12h，烘干后过筛；

步骤五，将过筛后的粉压成直径为12mm，厚度为2mm左右的圆柱体，在300mpa下等静压下成型；

步骤六，将成型后的试样在1100℃-1200℃下烧结4h-6h；

步骤七，对烧结成瓷的试样进行打磨和抛光，超声清洗后涂覆银浆，在550℃下保温30min烧成银电极。

本发明的另一目的在于提供一种由所述高应变钛酸铋钠基陶瓷制造的传感器。

本发明的另一目的在于提供一种由所述高应变钛酸铋钠基陶瓷制造的制动器。

本发明的另一目的在于提供一种由所述高应变钛酸铋钠基陶瓷制造的换能器。

本发明提供的高应变钛酸铋钠基陶瓷及其制备方法，通过优化陶瓷配方，使得环境友好型的无铅压电材料钛酸铋钠基陶瓷在较低电场下具有高的应变，室温下电场为45kvcm^-1时，其应变达0.387％，动态压电常数d33^*达860pm/v。同时材料在10⁶次循环下性能没有退化，介电损耗tanδ保持在0.08以下。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高应变钛酸铋钠基陶瓷的制备方法流程图。

图2是本发明实施例提供的0.8(bina)0.5-x(lali)xtio3-0.2bi0.5k0.5tio3，x＝0.01时陶瓷的x射线衍射和扫描电镜图谱示意图。

图3是本发明实施例提供的0.8(bina)0.5-x(lali)xtio3-0.2bi0.5k0.5tio3，x＝0.01时陶瓷不同频率的介电常数和介电损耗随温度的变化图谱示意图；

图中：虚线箭头方向表示频率增大。

图4是本发明实施例提供的0.8(bina)0.5-x(lali)xtio3-0.2bi0.5k0.5tio3，x＝0.01时陶瓷室温下45kvcm^-1电场下的电滞回线和应变曲线图谱示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明实施例提供的高应变钛酸铋钠基陶瓷的化学计量比为：0.8(bina)0.5-x(lali)xtio3-0.2bi0.5k0.5tio3(x＝0.006-0.012)。

如图1所示，本发明实施例提供的高应变钛酸铋钠基陶瓷的制备方法包括以下步骤：

s101：根据0.8(bina)0.5-x(lali)xtio3-0.2bi0.5k0.5tio3(x＝0.006-0.012)化学配比称量对应量的分析纯bi2o3，na2co3、tio2、k2co3、li2co3和la2o3；

s102；将配好的料放入以酒精为介质、锆球为磨球的尼龙罐中球磨6h-8h；

s103：将球磨好的料烘干过筛后并压成大块，在800℃预烧4h-6h得到预烧粉；

s104：将预烧粉再次放入球磨罐中研磨10h-12h，烘干后过筛；

s105：将过筛后的粉压成直径为12mm，厚度为2mm左右的圆柱体，在300mpa下等静压下成型；

s106：将成型后的试样在1100℃-1200℃下烧结4h-6h；

s107：对烧结成瓷的试样进行打磨和抛光，超声清洗后涂覆银浆，在550℃下保温30min烧成银电极。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例1，根据化学计量比称量22.9252g的bi2o3，4.1548g的na2co3、1.3821g的k2co3、7.987g的tio2、0.0591g的lico3和0.2606g的la2o3，将配好的料放入以酒精为介质、锆球为磨球的尼龙罐中球磨6-8h；将球磨好的料烘干过筛后并压成大块，在800℃预烧4h得到预烧粉；将预烧粉再次放入球磨罐中研磨10-12h，烘干后过筛；将过筛后的粉压成直径为12mm，厚度为2mm左右的圆柱体，在300mpa下等静压下成型；将成型后的试样在1100-1200℃下烧结4h；对烧结成瓷的试样进行打磨和抛光，超声清洗后涂覆银浆，在550℃下保温30min烧成银电极。采用安捷伦精密阻抗分析仪(4294a，agilent，ca，usa)测试样品的介电谱。采用tf2000型铁电参数测试仪(aixacct,aachen,germany)测试样品的电滞回线、应变曲线和电流密度曲线。从图2可以看出样品属于赝立方钙钛矿相，并没有出现杂相，从扫描图谱可以看出样品比较致密、均一且呈多边形分布。从图3可以看出材料具有典型的弛豫特性，其介电损耗保持在0.08以下。图4为材料的电滞回线和应变曲线图谱，可以看出材料具有典型的束腰型电滞回线，它在45kvcm^-1电场下具有非常大的应变，其动态压电常数d33^*提高到860pm/v，且样品在10⁶次循环下具有优异的抗疲劳特性。

实施例2，根据化学计量比称量22.8506g的bi2o3，4.1378g的na2co3、1.3821g的k2co3、7.987g的tio2、0.0709g的lico3和0.3128g的la2o3，将配好的料放入以酒精为介质、锆球为磨球的尼龙罐中球磨6-8h；将球磨好的料烘干过筛后并压成大块，在800℃预烧4h得到预烧粉；将预烧粉再次放入球磨罐中研磨10-12h，烘干后过筛；将过筛后的粉压成直径为12mm，厚度为2mm左右的圆柱体，在300mpa下等静压下成型；将成型后的试样在1100-1200℃下烧结4h；对烧结成瓷的试样进行打磨和抛光，超声清洗后涂覆银浆，在550℃下保温30min烧成银电极。通过测试材料在45kvcm^-1电场下动态压电常数d33^*可达810pm/v。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。