[发明专利]B位复合Bi基化合物组成的无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

本案申请为申请日2011年6月16日，申请号201110162421.0，发明创造名称为：B位复合Bi基化合物组成的无铅压电陶瓷及其制备方法的分案申请。

技术领域

本发明涉及压电陶瓷材料，具体是B位复合Bi基化合物组成的无铅压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷在信息、激光、导航、电子技术、通讯、计量检测、精密加工和传感技术等高技术领域应用广泛。但是目前实用的压电陶瓷绝大部分是锆钛酸铅(PZT)或以为锆钛酸铅为基的材料，这些材料中氧化铅含量约占70%左右，由于铅的污染问题，国际上正积极通过法律、法规、政府指令等形式对含铅的电子产品加以禁止。因此，研究高性能、低成本、实用型无铅压电、铁电材料的任务十分迫切。

目前研究的无铅压电陶瓷体系中，钙钛矿结构的(Na_1/2Bi_1/2)TiO₃（简称NBT）被认为是一种很有希望的无铅压电材料。NBT陶瓷具有许多很好的特性，如居里温度高（T_c=320 ℃），铁电性强(P_r=38 μC/cm²)，压电系数大(k_t、k₃₃约50%)，热释电性能与PZT相当，声学性能好，介电常数小，烧结温度低。但BNT陶瓷矫顽场高，在铁电相区电导率高，NaO易吸水，烧结温区狭窄，导致了陶瓷的致密性和化学物理性能稳定性欠佳。针对这些问题，国内外的研究者对BNT基陶瓷的改性做了大量的研究工作，但随NBT基压电陶瓷性能的改善，伴随退极化温度的降低，其综合性能与铅基压电陶瓷还有很大差距，远远满足不了实际应用的要求。

此外，无铅压电陶瓷体系中的铌酸钾钠（K_0.5Na_0.5NbO₃，KNN）系压电陶瓷因具有介电常数小、压电性能高、频率常数大、密度小、居里温度高及组成元素对人体友好等特点，被认为是很有前途替代PZT的无铅压电材料之一。自从2004年日本的学者Y.Saito在nature发表论文报道了K_0.5Na_0.5NbO₃压电陶瓷压电常数d₃₃达416 pC/N，引起了全世界研究K_0.5Na_0.5NbO₃基无铅压电陶瓷的热潮。但论文报道的性能是利用模板晶粒生长(TGG)特殊技术工艺法制备的取向织构的KNN基压电陶瓷，这种制备工艺条件要求苛刻，难以实现大规模生产。一般来说K_0.5Na_0.5NbO₃基无铅压电陶瓷烧结过程中Na易挥发，采用传统工艺制备的铌酸钾钠陶瓷的致密性差，需要采用热压，等静压与等离子烧结等特殊制备方法，这些新工艺因成本高、工艺复杂难以满足生产实际需要。同时K_0.5Na_0.5NbO₃体系中原料Nb₂O₅含量高，价格昂贵，不利于实用化。

基于对铅基材料的广泛研究，人们认为铅与压电铁电性的起源密切相关，由于Bi具有与Pb类似的特性，即Bi在元素周期表上与Pb相邻，具有相同的电子分布、相近的离子半径和分子量，同时Bi的氧化物无毒，故铋基压电铁电材料成为无铅压电铁电材料研究的热点。由于简单的化合物BiMeO₃很难合成，并且在常压下不稳定。这样使得研究者把目光投向B位复合离子BiMeMe′O₃体系，研究发现这类材料大都具有畸变的钙钛矿结构。但现有文献还未有报道B位复合Bi (Li_1/2Me_1/2)O₃基无铅压电陶瓷及制备方法的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种矫顽场低，易于极化，致密度高的、压电性能好的新型B位复合Bi基无铅压电陶瓷及其制备方法。

实现本发明目的的技术方案是：B位 Bi基无铅压电陶瓷用下述通式：