[发明专利]一种BCTZ基钙钛矿体系多元无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别是涉及一种锆钛酸钡钙基参杂多种元素制备多元混合钙钛矿体系压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷，作为现代及其重要的高技术功能材料，其应用已遍及军事、民用等各个领域，特别是超声换能，传感器，无损检测和通讯技术等领域。今年来，伴随着全世界对人类自身环境的认识，特别强调环保材料的应用，作为主导地位的锆钛酸铅压电陶瓷已在欧洲禁用。相信不久的将来，含铅压电陶瓷会在全球范围内禁用。所以，迫切需要寻找无铅压电材料代替传统的铅基压电陶瓷材料。

目前，研究的压电陶瓷主要有钙钛矿结构、铋层状结构和钨青铜结构无铅压电陶瓷。一般来说，铋层状结构无铅压电陶瓷居里温度较高，各向异性大而压电活性较低。钨青铜结构体系压电陶瓷具有自发极化强度大、居里温度高、介电常数低等特点，其成分与结构对其铁电性能有重要影响。

钙钛矿体系压电陶瓷具有较高的压电常数，钛酸钡体系特别是文献“Wen Liu,Xiaobing Ren.Large piezoelectric effect in pd-free ceramic[J].Physical review letters,2009,103(25):2576(1-4)”采用传统固相烧结方式制备了具有高压电性能的锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷。但是此方法需要较高的预烧（1350℃）和烧结温度（1550℃），高于工业生产的烧结温度要求，严重制约了其大量生产。铌酸钾钠体系特别是文献“Y.Saito,et al.“Lead-Free Piezoceramics”,nature,432(2004)84-87.”采用传统固相烧结方法制备了具有相对较高压电性能的铌酸钾钠锂钽锑无铅压电陶瓷，该方法制备的压电陶瓷烧结温度低于1100℃，但含有大量的锂、钾和钠等挥发性元素，烧结过程较难致密且烧结性能不稳定。

发明内容

本发明的目的，是克服现有技术的烧结温度较高和烧结性能不稳定的缺点，提供一种可以降低烧结温度、压电性能长期稳定、钙钛矿体系的多元无铅压电陶瓷及其制备方法。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种BCTZ基钙钛矿体系多元无铅压电陶瓷，其原料组分及其摩尔百分比为(1-y)[(1-x)Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃-x(Ca_0.7Ca_0.3)O₃]-y[(Na_0.52K_0.44Li_0.04)(Nb_0.88-Sb_0.08Ta_0.04)O₃]，其中x=0.40~0.50，y=0.001~0.05，x、y均为摩尔分数。

上述压电陶瓷的制备方法如下：

(1)用BaCO₃、TiO₂、CaCO₃、ZrO₂为初始原料，按(1-x)Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃-x(Ca_0.7Ca_0.3)O₃，其中x=0.40~0.50的化学计量比进行配料，经球磨混合、预烧，获得(Ba,Ca)(Ti,Zr)O₃简称BCTZ陶瓷粉末，再于1000~1100℃进行预烧；

(2)用Li₂CO₃，K₂CO₃，Na₂CO₃，Nb₂O₅，Ta₂O₅和Sb₂O₃为初始原料，按(Na_0.52K_0.44Li_0.04)(Nb_0.88Sb_0.08Ta_0.04)O₃简称KNNLST的化学计量比进行配料，经球磨混合、预烧，获得KNNLST陶瓷粉末，再于850℃进行预烧；

(3)将BCTZ和KNNLST陶瓷粉末按(1-y)BCTZ-y KNNLST，y=0.001~0.05的化学计量比进行配料，混合比例为0~5%，经球磨混合，干燥，得到多元体系陶瓷粉末；