[发明专利]一种钛酸钡基无铅含铋弛豫铁电陶瓷材料及制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种无铅弛豫铁电陶瓷材料及制备方法，特别是一种BaTiO₃基无铅含铋弛豫铁电陶瓷材料及制备方法。

【背景技术】

弛豫铁电陶瓷是功能陶瓷大家族中一类十分引人注目的材料。它具有很高的介电常数，相对低的烧结温度和由“弥散相变”（Diffuse Phase Transition）简称（DPT）引起的较低容温变化率，被认为有可能是新一代多层陶瓷电容器在技术和经济上兼优的重要候选材料。同时，它具有大的电致伸缩效应及小的电致应变滞后、回零性和重现性好等特点,因此在微位移器、致动器和机敏材料与器件等也有广阔的应用前景。

2006年欧盟颁布了严格禁止含铅物质在电子陶瓷中的使用条令，同时含铅弛豫铁电陶瓷在生产和应用时都会对人体和环境造成危害，因此，发展环境友好型无铅弛豫铁电陶瓷势在必行。

钛酸钡是一类具有典型钙钛矿晶体结构的铁电陶瓷，有三个铁电相变点，即：在0和-80℃附近有两个相变点，晶体结构分别由四方晶系向正交晶系进而向三角对称晶系转变；高于居里温度120℃左右，由四方结构转变为立方结构；当温度在120℃以下时，晶格结构转变为四方结构。因此，这种存在弥散相变、价格低廉和工艺成熟的BaTiO₃基无铅弛豫铁电陶瓷材料引起人们极大的关注。

目前，已经有许多学者对BaTiO₃基无铅弛豫铁电陶瓷材料进行了广泛的研究。例如：Bahri等发现掺杂Bi³⁺取代Ba²⁺能够增强BaTiO₃的弛豫行为。同时，T.Badapanda等研究了BaTiO₃-BaZrO₃系统发现等价取代Ti⁴⁺位也会产生弥散相变。Lei Cui等将Bi³⁺和Al³⁺同时掺入BaTiO₃进行电价补偿，也得到弛豫铁电陶瓷并与相关理论模型进行拟合对比表明该系统符合现有理论模型。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种新的BaTiO₃基无铅含铋弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法，通过本发明方法制得的弛豫铁电陶瓷材料，不但具有明显的弛豫现象，而且对环境友好，有可能成为替代铅基弛豫铁电体成为多层陶瓷电容器在技术和经济上兼优的重要候选材料。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

钛酸钡基无铅含铋弛豫铁电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：按照摩尔比为1∶（0.9~0.99）称取BaCO₃和TiO₂混合形成混合物A；

步骤二：分别取混合物A、锆球石及去离子水，按照质量比为1∶1∶1混合后依次进行球磨、烘干、压块后，置于马弗炉中在1000~1150℃保温2小时形成纯相钛酸钡粉体块，备用；

步骤三：以纯相钛酸钡粉体块为1mol计，按照摩尔百分含量分别称取0.5~3.0mol%Bi₂O₃、0.5~3.0mol%Cr₂O₃,添加至纯相钛酸钡粉体块形成全配料；

步骤四：分别取步骤三得到的全配料、锆球石及去离子水，按照质量比为1∶1∶1混合后依次进行球磨、烘干、造粒，过筛，形成造粒料；

步骤五：将步骤四所得造粒料在120MPa的压强下制成试样，然后，置于以氧化锆为垫板的氧化铝匣钵内在高温箱式炉内，以2℃/min升温至500℃保温60min，以5℃/min升温至1300~1350℃时保温2~4小时，之后，以5℃/min降温至500℃后随炉冷却至室温；

步骤六：打磨、清洗步骤五烧结好的试样后，在试样正反两面均匀涂覆银电极浆料，于600℃烧结20分钟，得到钛酸钡基无铅弛豫铁电陶瓷材料样品。

作为本发明的优选实例，所述步骤四中，球磨时间为4小时。

作为本发明的优选实例，所述步骤四中，全配料、锆球石及去离子水混合、球磨、烘干后形成烘干料，将质量浓度为4~8%的粘合剂添加至其中进行造粒，粘合剂占烘干料质量的8~10％，过筛为分别过40目和80目筛，然后取中间料形成造粒料。

作为本发明的优选实例，所述步骤四中粘合剂选为聚乙烯醇水溶液。

作为本发明的优选实例，Bi₂O₃和Cr₂O₃的摩尔比为1∶1。