[发明专利]一种制备高压电系数锆钛酸钙钡无铅压电陶瓷的方法

说明书

本研究感谢国家自然科学基金（批准号：50872093和50872094）和省部级横向课题（批准号：53H10084和53H11017）的支助。

技术领域

本发明属于制备高压电系数无铅压电陶瓷的技术领域，涉及一种高压电系数锆钛酸钙钡的制备方法。更具体的说是一种利用溶胶-凝胶技术制备高压电系数锆钛酸钙钡无铅压电陶瓷的工艺方法。

背景技术

半个世纪以来，在技术上，锆钛酸铅（PZT）体系在压电材料方面已经成为一种标志，锆钛酸铅一直统治了绝大部分压电材料的应用。然而，传统的PZT压电陶瓷，含有大量的铅，对人体及环境产生严重的危害，目前许多国家已经通过立法禁止铅的使用，因此开发一种能够替代锆钛酸铅的无铅压电材料已成为全球研究热点和难点。

在对以往的无铅压电材料的研究中，钛酸钡成为其中一种重点研究的对象，但以往的无铅压电材料的压电性能和锆钛酸铅相距甚远，压电性能仅为锆钛酸铅的1/10至1/2。2009年，西安交通大学的Wenfeng Liu, Xiaobing Ren等人在Physical Review Letters上报道了用固相反应法制备的(1-x)BaTi_0.8Zr_0.2O₃-xBa_0.7Ca_0.3TiO₃无铅压电陶瓷，在煅烧温度为1300℃，烧结温度在1450℃-1500℃时其压电系数高达620pC/N，首次超过了锆钛酸铅250-590pC/N的压电性能。2010年，山东聊城大学的Wei Li, Zhijun Xu等人在J. Am. Ceram. Soc. 和Materials Letters上分别报道了用固相反应法制备的锆钛酸钙钡陶瓷，在煅烧温度为1200℃，烧结温度在1450℃时其压电系数分别可到达到365pC/N和375pC/N。2010年，西北工业大学的高峰也报道了选取两步预烧的方法制备(1-x)BaTi_0.8Zr_0.2O₃-xBa_0.7Ca_0.3TiO₃陶瓷，其压电系数均大于240 pC/N，能达到传统含铅压电材料的性能。这些结果表明，大压电性能与铅没有必要联系，这对今后开发更多更好的无铅压电材料开创了一条新思路，有望引发工业界从依赖锆钛酸铅转向无铅压电材料的变革。一般来讲制备锆钛酸钙钡粉体的方法有固相反应法和液相合成法，其中液相反应又包括化学沉淀法、溶胶凝胶法、水热合成法、微乳液法，而固相反应一般需要较高的烧结温度，制备的粉体具有粒度大、纯度低、产物活性不高等缺点。实践证明，溶胶-凝胶法可降低烧结温度，有望得到无团聚、组分均匀、粒径可控、单分散性、可结晶性好的高纯锆钛酸钙钡，从而提高压电材料的性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种采用溶胶-凝胶法制备高压电系数(Ba_0.97Ca_0.03)( Ti_0.82Zr_0.18)O₃粉体的方法，为实现此目的，本发明提供了如下的技术方案：

一种制备高压电系数锆钛酸钙钡无铅压电陶瓷的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

 (1) 将AB溶液混合，先在温度为60℃的水浴锅中反应，待溶液为透明状时，室温反应5-6小时，得到溶胶状态物；

(2) 然后在空气中沉化8-12小时，在100℃-120℃的烘箱中烘12-24 小时，得到干凝胶；

(3) 在马弗炉中第一次煅烧温度为900℃，保温时间为半小时；取出粉末在有机溶剂存在的条件下，在空气中研磨2小时，得粉末；

(4) 在马弗炉中第二次煅烧温度为900℃，保温时间为半小时；取出粉末在空气中研磨1-2小时；

(5) 采用粉末压片机在1Gpa的压力下压成直径为10mm的圆片，在马弗炉中烧结温度至1290℃-1370℃，得到(Ba_0.97Ca_0.03)( Ti_0.82Zr_0.18)O₃陶瓷；

其中所述的A溶液由乙酸钡、乙酸钙和乙酸溶液组成，所述的B溶液由钛酸丁酯、乙醇、硝酸氧锆和乙酸溶液组成；其中A溶液中，乙酸钙：乙酸钡：乙酸的摩尔比为1:30-35:150-200；B溶液中，硝酸氧锆：钛酸丁酯：乙酸：乙醇的摩尔比为1:4-5:10-20:40-45。