一种A、B位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其制备方法与流程

本发明属于压电陶瓷领域，具体地说是一种a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其制备方法。

背景技术：

1、铁电(fe)陶瓷已被广泛应用于致动器、传感器和超声波电机。锆钛酸铅pb(zr1-xtix)o3(pzt)是应用最广泛的功能陶瓷之一。对于pzt，典型的掺杂离子(如la3+、bi3+、nb5+和sb5+)已被用于增加铁电性能。

2、由于铅的挥发性，需要开发具有竞争力的无铅铁电陶瓷。最近，许多研究人员致力于基于钛酸铋钠(bnt)的二元固溶体，如bnt-bt、bnt-bkt、bnt-st铁电和电场诱导应变的研究，其被认为是最有希望替代pzt作为应用于致动器的材料。

3、大量研究表明，掺杂la3+进入钙钛矿结构a位，可以诱导铁电-非极性相变，能产生巨大的应变。逆压电常数(位移与电场的比值，s/e)d33*高达650pm/v；同样，在bnt-bt中掺入la3+，也能加强了铁电性。在70kv/cm条件下的最高应变为0.35；其次，掺杂ta5+进入钙钛矿结构b位，可以引起结构畸变，从而增加电致应变。

技术实现思路

1、为进一步提高nbt基无铅铁电陶瓷的应变性能，本发明提供一种a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，以获得a、b位共掺钛酸铋钠基大应变无铅压电陶瓷，使无铅压电陶瓷具有超大电致应变性能，适合应用于压电致动器。

2、本发明采用如下的技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其在钛酸铋钠陶瓷基体中掺杂钽酸镧，利用latao4掺杂，使la3+进入钙钛矿结构a位，ta进入钙钛矿结构b位，诱导铁电-非极性相变，同时增加晶体结构畸变，从而获得a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷。

4、第二方面，本发明提供另一种a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其包括：

5、制备0.94na0.5bi0.5tio3-0.06batio3粉体，即nbt-bt粉体：采用传统固相法，由bio2、na2co3、ba2co3和tio2依次经过混料、球磨、烘干、预烧、二次球磨和二次烘干制备；

6、在0.94na0.5bi0.5tio3-0.06batio3粉体中加入la2o3和ta2o5，其中la2o3与ta2o5的摩尔比为1：1，依次采用混料、球磨、烘干、预烧、二次球磨和干燥工艺，得到nbt-bt+xlatao4固溶体粉末，其中0.02≤x≤0.04，x为钛酸铋钠基无铅压电陶瓷中的latao4与钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的质量比。

7、第三方面，本发明提供又一种a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其包括：

8、步骤1)，制备0.94na0.5bi0.5tio3-0.06batio3粉体，即nbt-bt粉体：采用传统固相法，以bio2、na2co3、ba2co3和tio2，依次经过混料、球磨、烘干、预烧、二次球磨和二次烘干制备；

9、步骤2)，在nbt-bt粉体中加入la2o3和ta2o5：首先称取摩尔比为1：1的la2o3和ta2o5粉末，按照nbt-bt+xlatao4化学配比，0.02≤x≤0.04，x为钛酸铋钠基无铅压电陶瓷中的latao4与钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的质量比，加入步骤1)制备的nbt-bt粉末中，依次采用混料、球磨、烘干、预烧、二次球磨和二次烘干制备得到nbt-bt+xlatao4粉末；

10、步骤3)，粉末压制：在nbt-bt+xlatao4粉末中加入3wt％～7wt％的聚乙烯醇溶液进行造粒，然后使用压力机压制成圆片；

11、步骤4)，烧结：压制后的圆片去除聚乙烯醇，然后继续升温至1050-1250℃保温1-6小时，冷却后得到a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷。

12、利用上述三种方法制备得到的a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，具有超大应变性能，在75kv/cm电场下的应变值大于0.34％。

13、进一步地，所述的步骤1)中，球磨时间为11-24小时，预烧温度为800-900℃，预烧时间为1-6小时，二次球磨时间为11-24小时。

14、进一步地，所述的步骤2)中，球磨时间为4-7小时，预烧温度为850-950℃，预烧时间为1-6小时，二次球磨时间为4-7小时。

15、经过球磨(即一次球磨)和二次球磨后，得到成分均匀且细化的粉体，由此可以进一步提高钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的综合性能。

16、步骤1)和2)中选择的预烧温度，可以使得碳化物和氧化物中的碳元素和部分氧元素烧蚀掉，以便制备得到具有上述化学组成的钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，并且利用该方法可以进一步提高钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的压电性能。

17、进一步地，所述的步骤4)中，升温速率为1-5℃/分钟，冷却方式为随炉冷却。

18、进一步地，所述的步骤4)中，烧结温度为1100-1200℃，保温时间为2-4h，由此可以进一步提高钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的温度稳定性。

19、进一步地，所述球磨和二次球磨均为湿法球磨，溶剂为无水乙醇；球磨转速为200-300rpm。

20、进一步地，步骤1)中的预烧温度优选为850℃，步骤2)中的预烧温度优选为900℃；步骤4)中的烧结温度为1140℃。

21、第四方面，本发明提供一种a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，其采用上述的制备方法制得。

22、本发明的技术方案具有如下优点：

23、本发明利用latao4掺杂，使la3+进入钙钛矿结构a位，ta进入钙钛矿结构b位，诱导铁电-非极性相变，同时增加晶体结构畸变，从而获得大应变无铅压电陶瓷，使其在75kv/cm电场下的应变值大于0.34％。

技术特征：

1.一种a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，在钛酸铋钠陶瓷基体中掺杂钽酸镧，利用latao4掺杂，使la3+进入钙钛矿结构a位，ta进入钙钛矿结构b位，诱导铁电-非极性相变，同时增加晶体结构畸变，从而获得a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷。

2.根据权利要求1所述的一种a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：

3.根据权利要求1所述的一种a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：

4.根据权利要求3所述的一种a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中，球磨时间为11-24小时，预烧温度为800-900℃，预烧时间为1-6小时，二次球磨时间为11-24小时。

5.根据权利要求3所述的一种a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)中，球磨时间为4-7小时，预烧温度为850-950℃，预烧时间为1-6小时，二次球磨时间为4-7小时。

6.根据权利要求3所述的一种a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤4)中，升温速率为1-5℃/分钟，冷却方式为随炉冷却。

7.根据权利要求3所述的一种a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述的步骤4)中，烧结温度为1100-1200℃，保温时间为2-4h。

8.根据权利要求3所述的一种a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤1)中的预烧温度为850℃，步骤2)中的预烧温度为900℃，步骤4)中的烧结温度为1140℃。

9.根据权利要求2或3所述的一种a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述球磨和二次球磨均为湿法球磨，溶剂为无水乙醇；球磨转速为200-300rpm。

10.一种a、b位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，其特征在于，其采用权利要求1-9任一项所述的制备方法制得。

技术总结
本发明公开了一种A、B位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其制备方法。本发明采用的制备方法，其在钛酸铋钠陶瓷基体中掺杂钽酸镧，利用LaTaO<subgt;4</subgt;掺杂，使La<supgt;3+</supgt;进入钙钛矿结构A位，Ta进入钙钛矿结构B位，诱导铁电‑非极性相变，同时增加晶体结构畸变，获得A、B位共掺钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，从而获得超大电致应变性能，非常适合应用于压电致动器。本发明的制备方法，步骤简单，产品性能稳定，适合批量生产。

技术研发人员：王异凡,孙明,陈晓刚,王一帆,曾明全,何强,谭划,张世乘
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17