一种钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料及其制备方法和用途

本发明涉及一种高剩余极化强度兼具高退极化温度的钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料及其制备方法，属于功能材料领域。

背景技术：

1、铁电材料是指在一定的温度范围内,具有自发极化且自发极化矢量的取向随外电场的改变而变化的材料,其中应力场下的相变行为主要在铁电脉冲领域中起着至关重要的作用。其应用机理是极化后存在大的剩余极化强度(pr)，能保留大量的束缚电荷。在冲击压缩过程中，束缚电荷可以在几微秒内释放从而产生一个强的电流或电压脉冲，从而输出兆瓦级功率的脉冲能量。

2、为了实现高输出电流，用于铁电脉冲电源的铁电材料首先应具有较大的剩余极化强度(pr)。其次，器件在使用过程中需保持良好的温度稳定性，因此要求材料应具有较高的退极化温度(td)。目前，pzt95/5铁电陶瓷是铁电脉冲电源的材料之一，但其铅元素的毒性，引起了环境以及人类健康问题是迫切需要寻求无铅替代品。钛酸铋钠(bi0.5na0.5tio3，bnt)作为典型的无铅铁电陶瓷，是一种a位复合离子钙钛矿型铁电体，具有优异的铁电性能和较高的居里温度。但是纯bnt陶瓷矫顽场高、电导率高，难极化。根据目前的研究，通常将bnt与batio3、bi0.5k0.5tio3、(k,na)nbo3及nanbo3等形成固溶体，但往往会降低材料的退极化温度td或者降低剩余极化强度pr，无法获得兼具优异铁电性能和退极化性能的陶瓷组分，这极大地限制了其实际应用。因此，获得高剩余极化强度兼具高退极化温度的钛酸铋钠基陶瓷具有重要的应用价值。

技术实现思路

0、
技术实现要素：

1、本发明提供一种高剩余极化强度兼具高退极化温度的钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料及其制备方法。选择bi0.5na0.5(ti1-ymny)o3-zbigao3为基体，通过掺杂zno，调控zno含量，同时提高陶瓷的td和pr，获得兼具高td和pr的(1-x){(1-z)bi0.5na0.5(ti1-ymny)o3-zbigao3}-xzno，陶瓷组分，其中，0<x≤0.10，0<y≤0.01，0<z≤0.02。此效果在其他zno掺杂或复合的组分中未见报道。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料，其化学通式为：(1-x){(1-z)bi0.5na0.5(ti(1-y)mny)o3-zbigao3}-xzno，其中，0<x≤0.10，0<y≤0.01，0<z≤0.02。

4、作为优选方案，所述钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料的化学通式为：(1-x){0.99bi0.5na0.5(ti0.995mn0.005)o3-0.01bigao3}-xzno。

5、一种如前述的钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

6、s1、以bi2o3、nahco3、tio2、ga2o3、mnco3和zno粉体为原料，按照化学计量比配料后，以有机溶剂为介质，用湿式球磨法进行球磨后，烘干压成块体，以不高于2℃/min的升温速率升温至750～950℃，保温1～3小时，预合成得到陶瓷粉体；

7、s2、将所述陶瓷粉体进行研磨后，再次以湿式球磨法进行二次研磨后，烘干，加入粘结剂进行造粒，陈化后压制成型，得到陶瓷生坯片；

8、s3、将所述陶瓷生坯片在600～750℃下保温以分解粘结剂，得到陶瓷坯体；

9、s4、将所述陶瓷坯体用与步骤s1所述陶瓷粉体成分相同的陶瓷粉体覆盖后，升温烧结，得到陶瓷片；

10、s5、将所述陶瓷片进行打磨抛光后，进行丝网印银，并烧银，得到所述钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料。

11、作为优选方案，步骤s1中，原料、球磨料和有机溶剂的质量比1：(2.5～4.5)：(0.6～1.2)。

12、作为优选方案，所述有机溶剂为无水乙醇，所述球磨料为锆球。

13、作为优选方案，步骤s2中，所述的粘结剂5wt％的聚乙烯醇水溶液，加入量为陶瓷粉料重量的5～10wt％，所述陈化的时间为8～15小时，所述压制成型的压力为18～100mpa。

14、作为优选方案，步骤s4中，所述升温速率不超过2℃/min，烧结温度为950～1120℃。

15、作为优选方案，步骤s5中，烧银的升温速率不超过2℃/min，烧银温度为600～800℃。

16、本发明的有益效果在于：

17、在bnt基陶瓷中通过掺杂zno的思路，期望获得兼具高剩余极化强度、高退极化温度的陶瓷组分。采用固相反应法得到了综合性能优异的陶瓷材料，工艺流程易控制，可重复性好，其室温剩余极化强度pr最高可达为47.56μc/cm2，退极化温度td最高可达214℃。

技术特征：

1.一种钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料，其特征在于，化学通式为：(1-x){(1-z)bi0.5na0.5(ti1-ymny)o3-zbigao3}-xzno，其中，0<x≤0.10，0<y≤0.01，0<z≤0.02。

2.如权利要求1所述的钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料，其特征在于，化学通式为：(1-x){0.99bi0.5na0.5(ti0.995mn0.005)o3-0.01bigao3}-xzno。

3.如权利要求2所述的钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料，其特征在于，化学式为：0.96{0.99bi0.5na0.5(ti0.995mn0.005)o3-0.01bigao3}-0.04zno。

4.一种如权利要求1～3中任意一项所述的钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

5.如权利要求4所述的钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，原料、球磨料和有机溶剂的质量比1：(2.5～5.5)：(0.6～1.2)。

6.如权利要求5所述的钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为无水乙醇，所述球磨料为锆球。

7.如权利要求4所述的钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述的粘结剂5wt％的聚乙烯醇水溶液，加入量为陶瓷粉料重量的5～10wt％，所述陈化的时间为8～15小时，所述压制成型的压力为18～100mpa。

8.如权利要求4所述的钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述升温速率不超过2℃/min，烧结温度为950～1120℃。

9.如权利要求4所述的钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤s5中，烧银的升温速率不超过2℃/min，烧银温度为600～850℃。

10.一种如权利要求1所述的钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料在高功率脉冲电源中的用途。

技术总结
本发明公开一种高剩余极化强度兼具高退极化温度的钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料，属于功能陶瓷领域。本发明陶瓷材料的组成为：(1‑x){(1‑z)Bi<subgt;0.5</subgt;Na<subgt;0.5</subgt;(Ti<subgt;1‑y</subgt;Mn<subgt;y</subgt;)O<subgt;3</subgt;‑zBiGaO<subgt;3</subgt;}‑xZnO，其中，0<x≤0.10，0<y≤0.01，0<z≤0.02。通过调整ZnO的添加量，同时提高陶瓷剩余极化强度和退极化温度，其剩余极化强度最高可达47.56μC/cm<supgt;2</supgt;，退极化温度最高可达214℃。

技术研发人员：彭萍,罗星鑫,聂恒昌,王根水
受保护的技术使用者：福建理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29