[发明专利]钛酸钡基压电陶瓷材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及钛酸钡基压电陶瓷材料及其制备方法与应用，属于压电陶瓷材料技术领域。

技术背景

目前Pb(Zr，Ti)O₃基压电陶瓷材料(简称PZT)由于其优异的压电性能在传感器、驱动器、超声换能器、谐振器、滤波器、蜂鸣器、电子点火器等各种电子元件和器件方面有着广泛的应用。但是，PZT的制备需要使用大量的含铅氧化物作为原料，在生产、使用及废弃后处理过程中都会给人类及生态环境带来严重危害，因此发展无铅的环境协调性压电陶瓷是一项具有重大现实意义的课题。在取代PZT方面，多年来人们曾做过大量的研究尝试和努力，并且也取得了一些非常有学术意义的研究结果。例如，以日本研究人员近年发表在著名的Nature学术期刊杂志上为代表性的工作(文献1：Y.Saito et al，Nature，432(2004)84.)，材料编号为LF4T的铌酸钾钠基陶瓷材料的压电性能指标d₃₃高达416pC/N，该指标堪与实际使用中的PZT4陶瓷压电性能指标d₃₃值相媲美。然而，该LF4T铌酸钾钠基陶瓷在制备过程中利用了比较特殊的织构法工艺，而且其原料中的氧化铌、氧化钽的市场价格非常昂贵，因而铌酸钾钠基陶瓷材料在工业生产制造方面存在着严重的成本问题，实际作为PZT的无铅压电陶瓷材料的替代产品很难被市场接受。

钛酸钡(BaTiO₃)是一种非常有名的铁电体材料、在历史上的出现比PZT还要早一些。目前，以钛酸钡为基体的陶瓷材料在包括层积电容器在内的各种电容器以及正温度系数电阻(PCT电阻)等一些电子产品中有着广泛的应用。但是，以钛酸钡为基体的陶瓷材料作为压电陶瓷材料的应用实例目前却为数并不多，主要原因在于通常制备的钛酸钡基陶瓷材料的压电性能比较低、达不到实用化程度的要求。例如，文献2：R.Bechman，J.Acoust.Soc.Am.，28(1956)347.中报道的d₃₃值只有190pC/N左右。有趣的是，近年人们以水热合成方法制备的BaTiO₃超微粉为原料、采用微波烧结的方法或者采用烧结周期比较长的分部烧结的方法制备出的BaTiO₃陶瓷瓷材料呈现出非常良好的压电性能，例如文献3：H.Takahashiet al，Jpn.J.Appl.Phys.，45(2006)L30.和文献4：T.Karaki et al，Jpn.J.Appl.Phys.，46(2007)L97.。然而，与前述的铌酸钾钠基陶瓷作为无铅压电陶瓷材料替代PZT陶瓷材料时所遇到的问题相类似，以特殊的化学方法合成的BaTiO₃微粉作为原料、利用特殊的烧结工艺制备BaTiO₃陶瓷材料势必会造成比较严重的产品成本价格问题。另一方面，以市场廉价的普通碳酸盐、氧化物或氢氧化物为初始原料，利用固相反应工艺烧结制备陶瓷材料仍然是目前国内外工业上廉价大批量生产制造电子陶瓷材料及其产品的有效方法。但是，在本发明之前，国内外不存在以普通的氧化物、碳酸盐为初始原料制备出高性能钛酸钡基压电陶瓷材料的技术。

发明内容

本发明是主要针对通常以普通的碳酸盐、氧化物为初始原料，利用固相反应工艺烧结制备的钛酸钡基陶瓷材料的压电性能较低、而利用比较特殊合成的钛酸钡基微粉和特殊的烧结方法生产制造的钛酸钡基陶瓷材料则具有成本价格高的缺点因而不利于实际应用的问题，提供一种低成本制备具有优异压电性能的钛酸钡基陶瓷材料的技术和一类具有优异压电性能的钛酸钡基陶瓷材料。

此外，本发明还提供所述的钛酸钡基陶瓷材料的应用。

本发明的技术方案如下：

钛酸钡基压电陶瓷材料，是以二氧化钛、碳酸钡为初始原料，通过预烧固相反应、机械粉碎制备颗粒平均尺寸在亚微米级别、结晶结构为四方相的钛酸钡微粉料，再烧结制得具有微观结构中晶粒粒径平均尺寸在0.2～7.5μm、极化后的压电性能指标d₃₃值大于225pC/N的钛酸钡基压电陶瓷材料。

一种钛酸钡基压电陶瓷材料的制备方法，步骤如下：

按所定的组份化学计量比称量BaCO₃和TiO₂原料，经混合、粉碎、干燥工序后，在相反应充分但不形成烧结体的温度条件下进行预烧，使原料混合物充分发生固相化学反应，通过粉碎得到颗粒粒径平均尺寸在亚微米级别、结晶结构为四方相的钛酸钡基微粉；成型后，通过烧结制得的微观结构中晶粒粒径平均尺寸在0.2～7.5μm范围的钛酸钡基压电陶瓷材料。