[发明专利]锌铋基钙钛矿-钛酸铅-铅基弛豫铁电体三元系压电陶瓷及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷及其制备方法，确切地说是锌铋基钙钛矿-钛酸铅-铅基弛豫铁电体三元系压电陶瓷及其制备方法，属于电子元器件制造技术领域。

二、背景技术

压电陶瓷是一类重要的功能陶瓷材料。然而普遍使用的压电陶瓷材料主要是以锆酸铅(PbZrO₃，简称PZ)、钛酸铅(PbTiO₃，简称PT)、以及弛豫铁电组成如铌镁酸铅(Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃，简称PMN)、铌锌酸铅(Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃，简称PZN)等组成的二元或者三元体系。特别是以PT和铅基弛豫铁电陶瓷组成的固溶体组成在单晶压电体中得到成功的应用。然而，这些含铅的压电陶瓷在烧结、使用和废弃后的处理过程中均会给人类的健康和生存环境带来严重的危害。发展无铅系或者低铅含量体系的压电陶瓷是一项具有重要实用意义的课题。

尽管近年已有不少无铅压电陶瓷材料的发明专利被授权(CN1511800A，CN1673178，CN100465131C)。然而，这些压电材料往往存在诸多问题，比如居里温度偏低，或压电性能不足，或工艺重复性差，或压电性能的热稳定性和时间稳定性不够等等，从而使其应用于压电器件时存在一定的难度。为了降低传统压电陶瓷材料对环境的严重污染，在现有材料基础上有效地降低材料组成中的铅含量应是一条可行且适用的途径。对于具有高压电系数的铅基压电单晶组成来说，大都是采用由钛酸铅和铅基弛豫铁电材料组成的二元或者三元体系组成，然而其中铅含量高达60％。部分铋基复合钙钛矿是重要的无铅铁电材料，在无铅压电陶瓷的研究中扮演着重要角色，特别是B位为含锌的复合原子的钙钛矿材料具有比PT更强的四方性，能够和铅基弛豫铁电材料形成新的准同型相界的同时，有望提高压电材料的居里温度和降低其中的铅含量，遗憾的是现有文献中还未见有含锌铋基复合钙钛矿、钛酸铅和铅基弛豫铁电材料固溶体压电陶瓷的电性能和制备工艺的研究报道。

三、发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种具有良好的压电性能、较高的居里温度、低含铅量和低烧结温度的锌铋基钙钛矿-钛酸铅-铅基弛豫铁电体三元系压电陶瓷及其制备方法。本三元系压电陶瓷组成具有菱形铁电相和四方铁电相的准同型相界。

本发明解决技术问题所采用如下技术方案：

本发明锌铋基钙钛矿-钛酸铅-铅基弛豫铁电体三元系压电陶瓷的特点在于本压电陶瓷的组成由以下通式(1)表示：

(1-n)[(1-u-v)PbTiO₃+uBi(Zn_xD_y)O₃+vPb(E_zF_w)O₃]+nM………………(1)

通式(1)中n，u，v，x，y，z，w为各物质的摩尔分数，取值均小于1，0≤n＜1，0＜u＜1，0＜v＜1，x＞0，y＞0，z＞0，w＞0，且2x+ay＝3，bz+cw＝4，x+y＝1，z+w＝1，其中a，b，c分别为元素D、E和F的化合价数；

D选自Ti⁴⁺、Zr⁴⁺、Nb⁵⁺、Ta⁵⁺、W⁶⁺金属离子中的一种；

E、F分别选自Mg²⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cd²⁺、Sc³⁺、yb³⁺、In³⁺、Fe³⁺、Nb⁵⁺、Ta⁵⁺、W⁶⁺金属离子中的一种；

M选自Na、K、Li、Ag、Cu、Fe、Mn、Nd、Sm、Nb、La的金属氧化物中的一种或几种，当M为多种金属氧化物时，通式(1)中的nM用通式(2)表示：

n(m₁M₁+m₂M₂+……+m_mM_m)…………………………(2)