一种铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料、制备方法及应用

本发明涉及压电陶瓷领域的，特别涉及一种铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料、制备方法及应用。

背景技术：

1、压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，除具有优越的压电性能外，还具有介电性、弹性等，居里温度高，机电耦合系数及机械品质因数大，温度稳定性和耐久性好的优势，已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。传统铅基压电陶瓷材料，如pb(zr,ti)o3(pzt)、等，虽然具有许多突出的优势性能，但其主要成分氧化铅pbo(含量占60-70％以上)是一种容易挥发的有毒物质。pzt陶瓷的烧结温度一般在1200℃以上，经高温使得pbo大量挥发，陶瓷化学计量发生偏差，性能难以稳定控制。同时，容易对环境造成污染，严重时危害人体及其他生物的健康。铅的陶瓷将面临全球限制。因此，开发高性能无铅压电材料具有重大环保和经济意义。铁酸铋(bf)基陶瓷高温无铅压电陶瓷具有大的自发极化(～100μc/cm2)和高于其他无铅压电陶瓷的居里温度(纯bf的居里温度约为830℃)等优势，使得它在高温压电陶瓷领域上具有极大的应用前景。

2、但是铁酸铋压电陶瓷在烧结过程中存在bi2o3的挥发和fe3+的变价等现象，引起陶瓷样品的缺陷离子浓度较高，从而导致介电损耗tanδ偏大，漏电流大，极化困难，以及压电常数偏低。这些问题极大阻碍了铁酸铋压电陶瓷的应用。漏电流密度大，极化困难。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料、制备方法及应用。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、一种铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料，其特征在于：其组成为0.76bi1-xmxfeo3-0.24bato3+ywt％mno2；

4、其中m表示yb、ho等稀土元素；

5、x表示稀土元素的摩尔分数、y表示mno2的质量分数，0≤x≤0.04，0.1≤y≤0.7。

6、进一步，y＝0.25，0≤x≤0.04。

7、一种铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)选取bi2o3、fe2o3、tio2、baco3、mno2、yb2o3、ho2o3为原料，按化学式0.76bi1-xmxfeo3-0.24bato3的化学计量比称取粉末原料进行一次球磨，球磨介质为无水乙醇，球磨转速为250rad/min，时长为12h，烘干，预烧，得到中间粉料，其中x为m的摩尔分数，且0<x<0.04；

9、(2)按所述无铅压电陶瓷材料的化学式0.76bi1-xmxfeo3-0.24bato3+ywt％mno2的化学计量比称取0.76bi1-xmxfeo3-0.24bato3陶瓷中间粉料以及mno2粉料，进行二次球磨，随后进行造粒，成型，排胶，烧结，随炉冷却或淬火，上电极和极化，得到压电陶瓷，其中m表示yb或ho等稀土元素；y表示mno2的质量分数，且0.1≤y≤0.7。

10、进一步，步骤(1)中所述的预烧是以3～5℃/min的升温速率从室温升到700～750℃，保温4～6h。

11、进一步，步骤(1)中所述的一次球磨的介质为无水乙醇，球磨转速为250rad/min，球磨时间为12h。

12、进一步，二次球磨的介质为无水乙醇，250rad/min，球磨时间为12h。

13、进一步，所述的造粒是以质量浓度为10～15％的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂。

14、进一步，所述的成型是在50～200mpa的压力下压制成陶瓷圆片。

15、进一步，步骤(2)中所述的排胶是先以1°/min从室温升到150℃，再以0.83°/min升到350℃，最后以2°/min升到600℃；在600℃下保温120min。

16、进一步，步骤(2)中所述的烧结，是以2～3℃/min的升温速率升温到920～1000℃，保温时间3～4h。

17、进一步，步骤(2)中所述的淬火，所用的淬火介质为二甲基硅油或质量分数为10-20％的聚乙烯醇水溶液，淬火温度为920-1000℃，淬火后，需放置12h老化处理。

18、进一步，步骤(2)中所述的上电极，所上的电极为银电极，上电极所用到的烧结温度为580℃，保温时间为20min。

19、进一步，步骤(2)中所述极化的参数为：极化的温度为100～120℃，极化电压为40～50kv/cm，极化时间为15～20min；具体是将陶瓷片夹在正负极间，浸没在100～120℃的硅油中施加电压进行极化。

20、所述铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料的应用，所述铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料用于制备压电器件。

21、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

22、(1)本发明制备的铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷具有较高压电性、低介电损耗、低漏电流密度和高居里温度。通过选择适当的x、y值及工艺参数(工艺参数是指球磨、排胶、预烧、烧结和极化的条件)，可使该体系的压电陶瓷具有较高压电性、低介电损耗、低漏电流密度和高居里温度。

23、(2)本发明所选用的二甲基硅油和聚乙烯醇水溶液作为淬火介质，相比于空冷、风冷等方法，冷却速度更快，且能使陶瓷各部分冷却更均匀；相比于水淬火过程，冷却速度更慢，同时聚乙烯醇水溶液在低温过程会在陶瓷表面形成一层凝胶膜，降低低温阶段冷却速度，减少低温快冷产生的内应力，同时，淬火后的老化过程也进一步降低了陶瓷的内应力，使得陶瓷样品不易开裂。相比于随炉冷却，淬火工艺能减少高温下bi2o3的挥发，同时急冷过程会对氧空位起到冷冻作用，降低氧空位的运动能力，降低漏电流密度。

24、(3)本发明采用传统固相烧结法制备高温无铅压电陶瓷，具有工艺成熟、成本低、具有较好的可重复性和稳定性，具有较强的实用价值。

技术特征：

1.一种铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料，其特征在于，其组成为0.76bi1-xmxfeo3-0.24bato3+ywt％mno2；其中m表示稀土元素；x表示稀土元素的摩尔分数、y表示mno2的质量分数，0≤x≤0.04，0.1≤y≤0.7。

2.根据权利要求1所述的铁酸铋-钛酸钡高温无铅压电陶瓷材料，其特征在于，y＝0.25，0≤x≤0.04。

3.根据权利要求1～2任一项所述铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的预烧是以3～5℃/min的升温速率从室温升到700～750℃，保温4～6h。

5.根据权利要求3所述的铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的一次球磨的介质为无水乙醇，球磨转速为250rad/min，球磨时间为12h；

6.根据权利要求3所述的铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的排胶是先以1°/min从室温升到150℃，再以0.83°/min升到350℃，最后以2°/min升到600℃；在600℃下保温120min。

7.根据权利要求3所述的铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述烧结是以2～3℃/min的升温速率升温到920～1000℃，保温时间3～4h。

8.根据权利要求3所述的铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的淬火，所用的淬火介质为二甲基硅油或质量分数为10-20％的聚乙烯醇水溶液，淬火温度为920-1000℃，且淬火后放置12h老化处理。

9.根据权利要求3所述的铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述极化的参数为：极化的温度为100～120℃，极化电压为40～50kv/cm，极化时间为15～20min；具体是将陶瓷片夹在正负极间，浸没在100～120℃的硅油中施加电压进行极化。

10.根据权利要求1～2任一项所述铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料的应用，其特征在于：所述铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料用于制备压电器件。

技术总结
本发明公开了一种铁酸铋‑钛酸钡无铅压电陶瓷材料、制备方法及应用，所述压电陶瓷的组成为0.76Bi<subgt;1‑x</subgt;M<subgt;x</subgt;FeO<subgt;3</subgt;‑0.24BaTO<subgt;3</subgt;+ywt％MnO<subgt;2</subgt;；M表示含Yb、Ho等稀土元素；x表示M的摩尔分数、y表示MnO<subgt;2</subgt;的质量百分比，0≤x≤0.04，0.1≤y≤0.7。本发明调控了陶瓷晶格中的氧空位浓度，改善了显微结构，获得较高压电性能、高居里温度、低介电性能和绝缘性能的压电陶瓷。

技术研发人员：王歆,梁岸,卢振亚,陈志武,范炜明
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14