[发明专利]一种多元素掺杂钛酸铋基无铅压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷材料及一种压电陶瓷材料的制备方法，属于功能陶瓷领域，尤其涉及一种多元素掺杂钛酸铋基无铅压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转化的功能陶瓷材料，它的应用十分广泛，而且是应用在与人们的生活密切相关的许多领域，以实现能量转化，传感驱动，频率控制等功能。在能量转换方面，可制造压电点火器、移动X光机电源、炮弹引爆装置、压电变压器、压电拾音器、压电蜂鸣器、压电喇叭，还可以做成金属探伤器、超声清洗、超声医疗、超声切割器。在传感方面，可应用于声纳系统、汽车倒车传感、气象探测、遥测环境保护、家用电器。在驱动方面，可用于精确的控制机构-压电驱动器、谐振器、滤波器等控制装置时决定通讯设备性能的关键器件。随着人们生活水平不断的提高，此类产品的需求量也越来越多。

目前，压电陶瓷大量应用的是含铅材料，在烧结温度下挥发性大，一方面对人体、环境造成危害、另一方面也使陶瓷中的化学计量比偏离原配方，给工艺和产品的稳定性带来诸多问题；此外，含铅压电陶瓷在使用及废弃处理过程中，易对环境和人类带来危害。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无铅压电陶瓷材料来替代含铅材料成为电子材料领域的热点之一。钛酸铋是一种典型铋层状结构铁电体化合物，高于居里点T_c(T_c=675℃)时，晶体属于四方晶系顺电相结构；低于T_c时晶体对应着单斜晶系铁电相，接近正交相结构，可以用赝正交晶系来描述，其晶胞参数a=0.5448nm、b=0.5411nm、c=3.283nm。钛酸铋单晶材料的自发极化P_s存在于a-c平面，沿着a轴和c轴方向的分量分别为50和4μC/cm²，被认为是一种良好的压电材料。与一般钙钛矿铁电体所允许自发极化三维转向不同，在铋层状结构化合物中，自发极化仅在a-b二维平面内转向。钛酸铋在a-b平面内虽然具有高的P_s，但由于晶体结构的各向异性，它在该平面内的电导率较高、矫顽场较大，使得钛酸铋陶瓷材料很难极化，很难获得压电活性。钛酸铋的压电系数（d₃₃<8pC/N）很低，为提高此系数，研究工作发现高价离子能够改善无铅压电陶瓷体系的介电和压电性能，但大部分结果显示其压电系数d₃₃没有超过20pC/N，限制了钛酸铋陶瓷的实用性。通过多元素掺杂改性方法可以有效地改善BIT陶瓷的压电性能。但目前对钛酸铋无铅压电陶瓷的多元素掺杂改性工作开展有限，目前的报道极少。

发明内容

本发明的目的是通过对钛酸铋无铅压电陶瓷采用多元素（Nb，Ta，Sb）掺杂方式，提高陶瓷材料的压电性能，提高无铅压电陶瓷的实用价值。

本发明的目的是通过如下方式实现的：一种多元素（Nb，Ta，Sb）掺杂钛酸铋基无铅压电陶瓷材料，是以Bi₄Ti₃O₁₂体系为基础，Nb₂O₅，Ta₂O₅和Sb₂O₃为掺杂物，即压电陶瓷材料的化学通式表示如下：Bi₄Ti_3-2xNb_xTa_x-ySb_yO₁₂ ，其中，0＜x≤0.1，0＜y≤0.1。

一种多元素（Nb，Ta，Sb）掺杂钛酸铋基无铅压电陶瓷材料的制备方法：包括配料、球磨、预烧、压块、排胶、烧结、涂电极、极化，其特征在于，包括如下步骤：

（1）        按照通式Bi₄Ti_3-2xNb_xTa_x-ySb_yO₁₂中的化学计量比称取基体配料；

（2）        混料球磨，将上述混合物装入无水乙醇，球磨1～72小时，使粉体更加均匀合适，为产品质量提供了保证；