[发明专利]无铅反铁电陶瓷材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种传感器和驱动器技术领域的材质及其制备，具体是一种作为热释电材料或应变驱动材料的无铅反铁电陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

反铁电材料由于在高新技术中起着越来越重要的作用而成为国内外研究的热点。比如反铁电材料在高能存储电容器，高应变驱动器，热释电传感器，爆电换能传感器及电致冷技术中都具有非常大的应用价值。目前主要使用的反铁电材料为高镐区的镐钛酸铅(PZT)，特别是组成处于铁电(FE)-反铁电(AFE)相界附近的PZT基陶瓷材料因具有丰富的相结构，以及温度、应力和电场等外场引起的自发极化变化而产生相变效应，因此反铁电相与铁电相的相界附近的成分一直是研究的热点。并已在换能器、驱动器、储能电容器、红外热释电探测等领域得到广泛应用。比如利用温度诱导的铁电-反铁电相变可以在热释电探测中获得应用，利用电场诱导的反铁电-铁电相变可以在高应变驱动器中获得应用，利用应力诱导的铁电-反铁电相变可在爆电换能领域得到应用。

但是PZT基材料中氧化铅约占原料总重量的60％以上，而我们知道氧化铅是一种剧毒、且在高温下易挥发的物质。在烧结过程中大量氧化铅的挥发势必造成环境的污染，直接危害人类的健康。近年来，随着环境保护和人类社会可持续发展的需求，研发新型环境友好的功能陶瓷已成为各国致力研发的热点之一。比如2001年欧洲议会通过了关于“电器和电子设备中限制有害物质”的法令，并定于2008年实施。为此，欧洲共同体专门立项进行关于无铅系压电陶瓷的研究与开发。美国、日本和我国也相继逐年提高了对研制无铅系压电陶瓷项目的支持力度。

经过对现有技术的检索发现，反铁电材料在电场的作用由于反铁电-铁电相变可产生巨大的应变，但目前开发的能在室温下使用的反铁电材料主要为PZT基材料。另外反铁电材料在电场的作用下可将反铁电相诱导成铁电相，诱导的铁电相可以较为稳定的存在，因此在升温时可测得一个非常大的热释电电流，比如(Pb，La)(Zr，Sn，Ti)O₃(PLZST)陶瓷其热释电系数可到达160×10^-8C cm^-2K^-1，其值比一般铁电热释电材料高两个数量级。诱导的亚稳铁电相在温度升高时重新转变成反铁电相会引起热释电电流峰，这是电场和温度共同作用的结果。而目前的无铅Na_0.47Bi_0.47Ti_0.94-0.06BaTiO₃陶瓷在室温下的热释电系数为3.6×10^-8C cm^-2K^-1(见中国物理卷53第2357至2362页)，无铅相变热释电材料(Ba，Sr)TiO₃陶瓷的热释电系数为70×10^-8Ccm^-2K^-1，其值与含铅材料的值有很大差距。

(Na_0.5Bi_0.5)TiO₃(NBT)是一种具有钙钛矿结构的铁电压电材料。其中NBT在加入BaTiO₃(BT)后，由于存在三方-四方准同型相界(BT含量为6mol％-10mol％)及能显著降低其过大的矫顽场而备受瞩目，准同型相界附近组分的陶瓷其压电常数d₃₃可接近200pC/N，剩余极化P_r可达到38μC/cm²。该种铁电材料存在一个退极化温度，即铁电-反铁电相变温度。对于纯NBT，该退极化温度为190℃左右，在最接近准同型相界附近的组分其退极化温度最低，为100℃左右，然后随着BT含量的增加，退极化温度升高，比如对于NBT-BT85/15陶瓷，其退极化温度为210℃左右。目前研究的NBT-BT材料其钠铋摩尔比(Na/Bi)都为1。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种无铅反铁电陶瓷及其制备方法和应用，其热释电系数在室温下可达到140×10^-8Ccm^-2K^-1。其电场诱导的应变可达0.48％，电致伸缩应变可达0.23％。

本发明是通过以下技术方案实现的：