大应变低驱动电场弛豫-铁电复合无铅压电陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于复合压电陶瓷技术领域，涉及一种大应变低驱动电场弛豫-铁电复合无铅压电陶瓷及其制备方法。
【背景技术】
[0002]为了替代传统多层压电致动器中的铅基压电材料，德国学者在论文“Giantstrain in lead-free piezoceramics Bia5Naa5T13-BaT13-K0.5Na0.5Nb03system，，(AppliedPhysics Letters 2007年91卷11期)中报道了一种具有超大应变的无铅压电陶瓷材料，其电致应变量可以达到0.45%，但是驱动电场高达8kV/mm，离实用化还有很大距离。韩国学者在“Electric field-1nduced deformat1n behav1r in mixed Bi0 5Na0 5Ti03and Bi05 (Na0 75K0 25) o 5T i O3-B i A13 (App lied Physics Letters 2011 年第 99 卷第 6 期)中报道了铁电-弛豫复合无铅压电陶瓷材料，这种复合压电陶瓷材料是先制备出钛酸铋钠(BNT)单晶材料，然后加入到铝酸铋掺杂的钛酸铋钠钾基体中，然后烧结形成0-3型复合压电陶瓷，这一技术可以将驱动电场降低到4kV/mm，电致应变可以达到0.27%，但是钛酸铋钠单晶制备工艺较为复杂，成本也较高。
[0003]目前商品化的压电陶瓷和器件都是采用Pb(Zr，Ti)03(PZT)等传统铅基材料，PbO (或Pb3O4)约占总质量的70%，如此高的Pb含量使压电器件在制备、使用及废弃后给环境和人类健康带来很大的损害。为了防止环境污染，欧洲、日本、韩国及中国等绝大多数国家相继出台法律，禁止或限制Pb在电子产品中的使用。另外，现在正在研发的无铅压电陶瓷存在压电应变小、压电性能差等缺点，BNT-BT-KNN弛豫型无铅压电陶瓷具有比软性PZT还要大的电致应变，在压电致动器方面有极大的潜在应用价值，但是所需驱动电场过大，难以实际应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种大应变低驱动电场弛豫-铁电复合无铅压电陶瓷及其制备方法，解决了现有技术中存在的问题，在保持弛豫无铅压电材料大应变的同时，有效降低了驱动电场，使大应变无铅压电陶瓷材料的应用成为可能，非常适合与制造大应变多层无铅压电致动器。
[0005]本发明所采用的技术方案是，大应变低驱动电场弛豫-铁电复合无铅压电陶瓷，由弛豫型无铅压电陶瓷A和铁电无铅陶瓷B复合而成，A和B的化学成分符合如下化学式:A 的成分为:(In)Bia5Naa5T13-X1Bia5K0.5Ti03-yiAgNb03，0.16 彡 X1^ 0.22，0.01 0.03 ；或(l-χ 2-y2)Bia5Na0.5Ti03-x2BaTi03_y2AgNb03，0.05 χ2^? 0.07,0.01 ( y2^ 0.03 ；B 的成分为:(l-z)Bi 0.5Na0.5Ti03-zBaTi03,0.05 彡 z 彡 0.07，或(1-w)Bi0 5Na0 5Ti03_wBi0 5K0 5T13,0.16 < w < 0.22。
[0006]进一步的，A与B的混合的体积比例为90:10-50:50。
[0007]进一步的，该压电陶瓷在4kV/mm的驱动电场下具有0.22% -0.32%的电致应变。
[0008]本发明所采用的另一技术方案是，大应变低驱动电场弛豫-铁电复合无铅压电陶瓷制备方法，按照以下步骤进行:
[0009]I)按照化学计量比称量 BaC03、T12, Na2CO3, K2CO3, Bi2O3, Nb2O5和 Ag 2C03原料后，分别在乙醇介质下进行球磨混合，烘干后分别得到弛豫型无铅压电陶瓷粉体A和铁电无铅陶瓷粉体B的原料粉末；
[0010]其中得到的弛豫型无铅压电陶瓷粉体A的成分为:(l-Xl-yi)Bia5Naa5T13-X1Bill5Kο ST13-Y1AgNbO3,0.16 X1^i 0.22,0.01 y ^ 0.03 ;或(l_x 2-y2)Bia5Naa5T13-X2BaT13-y2AgNb03,0.05 < χ2^Ξ 0.07，0.01 < y 0.03 ；
[0011]铁电无铅陶瓷粉体B的成分为:(1-Z)Bia5Naa5T13-ZBaT13,0.05彡z彡0.07，或(1-w) Biο 5Na0 5T13-wBi0 5K0 5T13,0.16 w 0.22 ；
[0012]2)步骤I中A和B的原料粉末烘干，分别装入坩祸，放入马弗炉中，在空气气氛下以5°C /分钟的升温速率，升温至温度为800°C _850°C，分别预烧2小时、I小时，得到预烧后的弛豫型无铅压电陶瓷粉体A和预烧后的铁电无铅陶瓷粉体B ;
[0013]3)预烧后的弛豫型无铅压电陶瓷粉体A、预烧后的铁电无铅陶瓷粉体B，经过手工碾磨后以乙醇为介质分别球磨4小时，干燥后，分别放入带盖坩祸在1080-1120°C下二次预烧3小时，分别得到纯相的弛豫铁电陶瓷粉体A和铁电陶瓷粉体B ;
[0014]4)步骤3中纯相的弛豫铁电陶瓷粉体A和铁电陶瓷粉体B，分别手工碾磨后，按照摩尔百分比，将10-50Vol %的铁电无铅陶瓷B与90-50Vol %的弛豫型无铅压电陶瓷A进行混合，然后以乙醇为介质球磨24小时后干燥即得到混合粉体C ;
[0015]5)混合粉体C通过PVA造粒后在120MPa压力下干压成型，在空气气氛中1100-1140°C下烧结I小时，升温和降温速率为8-12°C /分钟，即得到0_3型弛豫-铁电复合无铅压电陶瓷；
[0016]6)步骤5所述的0-3型弛豫-铁电复合无铅压电陶瓷，经打磨表面后刷银电极，即得。
[0017]本发明的有益效果是:采用绿色环保无铅压电陶瓷材料替代现有压电致动器的含铅压电陶瓷材料(含PbO量约占总质量的70% )，在生产及废弃后不会造成环境污染。采用铁电-弛豫0-3型复合压电陶瓷替代之前报道的BNT基弛豫无铅压电陶瓷，可以将驱动电场由8kV/_降低到4kV/mm，满足实际多层压电致动器对驱动电场的要求，而且，在BNT-BT-AN中掺入30%体积比的BNT-BT得到的0_3型复合无铅压电陶瓷在4kV/mm下的应变可达0.32%，这一值比目前所使用的软性铅基压电陶瓷材料的应变值0.15%要高一倍。另外，复合陶瓷中利用BNT-BT和BNT-BKT无铅铁电陶瓷粉体替代之前报道的BNT单晶颗粒，可以有效降低生产工艺难度和降低成本约40%。
【附图说明】
[0018]图1是本发明实施例1所述，当xl = 0.18，yl = 0.02，z = 0.06时，A为0.80Β?0.5Na0.5Ti03-0.18Bi0.5K0.5Ti03-0.02AgNb03，B 为 0.94Bi0.5Na0.5Ti03-0.06BaTi03，将 20%体积比的B粉体混合到80 %体积比的A粉体中，然后经过球磨、造粒和烧结后所制备的复合无铅压电陶瓷的X射线衍射图谱；
[0019]图2是本发明实施例3所述，当xl = 0.21，yl = 0.03，z = 0.07时，A为0.76Β?0.5Na0.5Ti03-0.21Bi0.5K0.5Ti03-0.03AgNb03，B 为 0.93Bi0.5Na0.5Ti03-0.07BaTi03，将 30%体积比的B粉体混合到70 %体积比的A粉体中，然后经过球磨、造粒和烧结后所制备的复合无铅压电陶瓷的介电常数随温度变化的曲线；
[0020]图3是本发明实施例5所述，当xl = 0.17，yl = 0.02，w = 0.19时，A为0.81Β?0.5Na0.5Ti03-0, 17Bi0.5K0.5Ti03-0 , 02AgNb03，B 为 0.8IBia5Naa5T13-0.19Bi0.5Ka5Ti03，将 35%体积比的B粉体混合到65 %体积比的A粉体中，然后经过球磨、造粒和烧结后所制备的复合无铅压电陶瓷在室温下的电滞回线；
[0021]图4是本发明实施例7所述，当x2 = 0.06，y2 = 0.03，z = 0.06时，A为0.91Bi0.5Na0.5Ti03-0.06BaTi03-0.03AgNb03，B 为 0.94Bi0.5Na0.5Ti03-0.06BaTi03，将 30%体积比的 B粉体混合到70 %体积比的A粉体中，然后经过球磨、造粒和烧结后所制备的复合无铅压电陶瓷在室温下的单极应变曲线；
[0022]图5是本发明实施例9所述，当x2 = 0.07，y2 = 0.02，z = 0.05时，A为0.91Bi0.5Na0.5Ti03-0.07BaTi03-0.02AgNb03，B 为 0.95Bi0.5Na0.5Ti03-0.05BaTi03，将 20%体积比的 B粉体混合到80%体积比的A粉体中，然后经过球磨、造粒和烧结后所制备的复合无铅压电陶瓷在室温下的电滞回线；
[0023]图6 是本发明实施例 12 所述，当 x2 = 0.05, y2 = 0.03, z = 0.19 时，A 为 0.92Bi0.5Na0.5Ti03-0.05BaTi03-0.03AgNb03，B 为 0.8IBia5Naa5T13-0.19BaTi03，将 30%体积比的 B粉体混合到70 %体积比的A粉体中，然后经过球磨、造粒和烧结后所制备的复合无铅压电陶瓷在室温下的单极应变曲线。
【具体实施方式】
[0024]以下通过具体实施例对本发明所述弛豫-铁电复合无铅压电陶瓷作进一步描述，有必要在此指出的是所述实施例只是用于对本发明的进一步说明，但不应理解为是对本发明保护范围的任何限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质性的改进和调整。
[0025]大应变低驱动电场弛豫-铁电复合无铅压