一种基于可逆畴壁运动的压电陶瓷及其制备方法和应用

本发明涉及压电陶瓷材料，特别涉及一种基于可逆畴壁运动的压电陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术：

1、传感器和作动器是电力设备中不可或缺的元件之一，由于压电材料的机电耦合效应，可以应用压电材料制备传感器(或作动器)感知(或输出)力学信号。

2、压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，是压电材料的代表性物质。压电陶瓷实际上也是铁电陶瓷，在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴壁。压电陶瓷中的高压电效应总是伴随着迟滞现象，这既增加了能量成本，又增加了不准确性。因此，用降低能耗来消除压电迟滞是压电材料应用的关键。压电性能可按对滞回的影响分为不产生滞回的可逆贡献和产生滞回的不可逆贡献，也可按作用机理分为晶格伸缩引起的本征贡献和畴壁运动引起的非本征贡献。可逆贡献和非本征贡献交叉部分即为可逆畴壁运动引起的可逆非本征贡献。

3、在电子和电力系统中，特别是小型化设备中，对具有高压电系数和低滞回度的新型材料越发迫切。钛酸钡基铁电陶瓷是使用较为广泛的铁电传感材料，但常温下常用的钛酸钡(batio3)基陶瓷压电系数相对较低，一般为100～200pm/v，滞回度超过20％。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明目的在于提供一种基于可逆畴壁运动的压电陶瓷及其制备方法和应用。本发明提供的基于可逆畴壁运动的压电陶瓷具有高压电系数和低滞回度。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种基于可逆畴壁运动的压电陶瓷，化学组成为(1-x)ba(ti1-ymy)o3-x(ba0.7ca0.3)tio3，其中x＝0.2～0.6，y＝0.1～0.2，m为sn、zr和hf中的一种或几种。

4、优选的，化学组成为0.56ba(ti0.8zr0.2)o3-0.44(ba0.7ca0.3)tio3、0.5ba(ti0.8zr0.2)o3-0.5(ba0.7ca0.3)tio3、0.68ba(ti0.88sn0.12)o3-0.32(ba0.7ca0.3)tio3或0.72ba(ti0.88sn0.12)o3-0.28(ba0.7ca0.3)tio3。

5、本发明提供了上述基于可逆畴壁运动的压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

6、(1)将baco3、caco3、tio2和mo2混合，得到混合粉料；所述mo2为sno2、zro2和hfo2中的一种或几种；

7、(2)对所述混合粉料进行预烧结，得到预烧粉料；

8、(3)将所述预烧粉料与有机造粒剂混合，依次进行造粒和压制成型，得到成型陶瓷；

9、(4)对所述成型陶瓷依次进行加热排胶和烧结，得到基于可逆畴壁运动的压电陶瓷。

10、优选的，所述步骤(1)中的混合方式为球磨，所述球磨的转速为300～400rpm，时间为6～12h。

11、优选的，所述预烧结的温度为1300～1350℃，保温时间为4～6h。

12、优选的，所述预烧结后，还包括进行球磨，所述球磨的转速为300～400rpm，时间为6～12h。

13、优选的，所述有机造粒剂为pva，所述有机造粒剂的质量为预烧粉料质量的5～10％。

14、优选的，所述造粒后的粒径为0.15～0.28mm；

15、所述压制成型的压力为2～10mpa，时间为60～120s。

16、优选的，所述加热排胶的温度为450～550℃，保温时间为4～6h；

17、所述烧结的温度为1425～1475℃，保温时间为4～6h。

18、本发明提供了上述基于可逆畴壁运动的压电陶瓷在压电传感器和作动器中的应用。

19、本发明提供了一种基于可逆畴壁运动的压电陶瓷，化学组成为(1-x)ba(ti1-ymy)o3-x(ba0.7ca0.3)tio3，其中x＝0.2～0.6，y＝0.1～0.2，m为sn、zr和hf中的一种或几种。本发明在batio3体系的基础上添加sn、zr和hf元素中的一种或几种以及ca元素构建可逆畴壁运动的低滞回高压电系数的钛酸钡基压电陶瓷，能够诱发压电陶瓷化学成分不均匀，降低极化转向势垒，增加畴壁运动回复力，从而大幅度优化压电陶瓷的压电性能，其压电系数可达600～726pm/v、滞回度可降低至14.5～10.5％，可应用于压电传感器和作动器中。

20、本发明提供了上述基于可逆畴壁运动的压电陶瓷的制备方法，本发明采用固相合成的方法，对混合粉料进行预烧、造粒、压制成型、排胶和烧结，能够诱发压电陶瓷纳米尺度化学成分不均匀，从而提高压电陶瓷的压电性能。同时，本发明步骤简单、易于操作、重复性好、成品率高，易于实现工业化批量生产。

技术特征：

1.一种基于可逆畴壁运动的压电陶瓷，化学组成为(1-x)ba(ti1-ymy)o3-x(ba0.7ca0.3)tio3，其中x＝0.2～0.6，y＝0.1～0.2，m为sn、zr和hf中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的基于可逆畴壁运动的压电陶瓷，其特征在于，化学组成为0.56ba(ti0.8zr0.2)o3-0.44(ba0.7ca0.3)tio3、0.5ba(ti0.8zr0.2)o3-0.5(ba0.7ca0.3)tio3、0.68ba(ti0.88sn0.12)o3-0.32(ba0.7ca0.3)tio3或0.72ba(ti0.88sn0.12)o3-0.28(ba0.7ca0.3)tio3。

3.权利要求1或2所述基于可逆畴壁运动的压电陶瓷的制备方法，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，所述步骤(1)中的混合方式为球磨，所述球磨的转速为300～400rpm，时间为6～12h。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述预烧结的温度为1300～1350℃，保温时间为4～6h。

6.根据权利要求3或5所述的制备方法，其特征在于，所述预烧结后，还包括进行球磨，所述球磨的转速为300～400rpm，时间为6～12h。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述有机造粒剂为pva，所述有机造粒剂的质量为预烧粉料质量的5～10％。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述造粒后的粒径为0.15～0.28mm；

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述加热排胶的温度为450～550℃，保温时间为4～6h；

10.权利要求1或2所述基于可逆畴壁运动的压电陶瓷或权利要求3～9任意一项所述制备方法制备得到的基于可逆畴壁运动的压电陶瓷在压电传感器和作动器中的应用。

技术总结
本发明提供了一种基于可逆畴壁运动的压电陶瓷及其制备方法和应用，属于压电陶瓷材料技术领域。本发明提供的基于可逆畴壁运动的压电陶瓷化学组成为(1‑x)Ba(Ti<subgt;1‑y</subgt;M<subgt;y</subgt;)O<subgt;3</subgt;‑x(Ba<subgt;0.7</subgt;Ca<subgt;0.3</subgt;)TiO<subgt;3</subgt;，其中x＝0.2～0.6，y＝0.1～0.2，M为Sn、Zr和Hf中的一种或几种。本发明在BaTiO<subgt;3</subgt;体系的基础上添加Sn、Zr和Hf元素中的一种或几种以及Ca元素构建可逆畴壁运动的低滞回高压电系数的钛酸钡基压电陶瓷，能够诱发压电陶瓷化学成分不均匀，大幅度优化压电陶瓷的压电性能，其压电系数可达600～726pm/V、滞回度可降低至14.5～10.5％，可应用于压电传感器和作动器中。

技术研发人员：高景晖,刘泳斌,姚睿丰,吴明,钟力生
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11