[发明专利]制备钛酸铋取向陶瓷的固相烧结工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及可用于新型无铅存储器、传感器和换能器的铁电、压电陶瓷的制备方法。

背景技术

铋系层状钙钛矿结构材料自二十世际四十年代未期，被首次人工合成并发现具有良好的铁电和压电性能，一直受人们的广泛重视。近年来为了开发新型无污染的存储器、传感器和换能器等电子元器件，铋系层状钙钛矿结构材料是被公认可以取代PZT，从而减少铅系陶瓷在生产、使用及废弃后处理过程中，给人类及生态环境造成严重危害的候选材料之一。

目前提高铋系层状钙钛矿结构材料样品性能的主要方法：(1)用掺杂的方法减少样品中的氧空位提高样品的性能；(2)利用样品各项异性特性制备高取向率的陶瓷样品。

钛酸铋(Bi₄Ti₃O₁₂，简称BIT)是一种典型铋系层状钙钛矿结构材料，可以用式(Bi₂O₂)²⁺(A_m-1B_mO_3m-1)^2-来表示，式中：A为Bi离子，B为Ti离子，m＝3。具有高的相变温度(T_c＝756℃)，铁电性能各向异性，在a/(b)方向上的自发极化(2P_s)达100μC/cm²，而c方向的2P_s为8～10μC/cm²。铋系层状钙钛矿结构材料样品的微观结构属低对称性，也就是说相品的晶格常数(a，b，c)相差较大，样品的a与b基本相等，而c远远大于a和b，在晶体生长过程中晶粒易长成片状。尽管BIT单晶样品有良好的性能，但存在制备成本高，加工困难不适作为实用材料。通常的固相烧结工艺制备的BIT陶瓷为自由取向的，其剩余极化(2P_r)一般仅为12～16μC/cm²，其压电常数d₃₃通常也只有8～12pC/N，而样品的矫顽场(E_c)较高达～85kV/cm，不能满足实际应用的需要。用掺杂的方法的确提高了样品的综合性能，但同样不能满足实际应用的要求。所以利用BIT样品所具有各项异性，得到具有单晶特性的取向陶瓷得到了人们的关注。

目前有相关文献和专利报道，用热压法、模板法等方法制备铋系层状钙钛矿取向陶瓷。如：(1)特开2001-291908号公报公开了由作为层状钙钛矿型化合物Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅结构，用含有初始胚片表面形成平行排列的线状电极c轴沿一方向，且沿与c轴取向方向正交方向极化的压电陶瓷；(2)特开2001-039766号公报公开了作为层状钙钛矿型化合物的一种的CaBi₄Ti₄O₁₅结构，在600℃下对样品进行加压热理，得到沿与c轴的取向方向正交方向极化的压电陶瓷。从相关文献与专利报道来看：目前常用的制备取向陶瓷的方法存在易生成二次相、与目前陶瓷生产工艺不兼容或工艺过程复杂不利于大规模生产等问题。

发明内容

本发明的目的是要提供一种制备钛酸铋取向陶瓷的固相烧结工艺方法，该工艺合理简单，制备的产品综合性能好，能满足实际应用要求，便于产业化生产。

本发明的技术方案是：制备钛酸铋取向陶瓷的固相烧结工艺方法，其特征是以分析纯氧化铋(Bi₂O₃)和光谱纯氧化钛(TiO₂)为原料，分析纯氧化铋(Bi₂O₃)重量百分比为72％～84％，光谱纯氧化钛(TiO₂)重量百分比为18％～26％，经充分球磨混合后，装入氧化铝坩锅内，在760℃～800℃进行三次预合成，每次预合成保温时间8～24小时，预合成后的粉未，加粘合剂、成型、排塑，然后在1140℃温度下烧结2～20小时，制成钛酸铋取向陶瓷。

所述的球磨以无水乙醇为介质。用现行的固相烧结工艺和市场购得的氧化物作为原料，通过控制样品制备的温度和时间等工艺，得到不同取向率的BIT多晶陶瓷，其铁电、压电性能可改变工艺条件进行调整。