[发明专利]一种锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明属于无铅压电材料领域，具体涉及一种钛酸钡钙-锡钛酸钡(BCT -BST)二元系无铅压电陶瓷及其制备工艺及包含该复合物的压电陶瓷器件。

背景技术

近年来出于对人类健康和自然环境的保护，学者们致力于寻找有毒铅基压电材料的替代产品。任晓兵等发现的经传统固相合成法制备的(Ba,Ca)(Ti,Sn)O₃体系的压电陶瓷在最优组分处具有异常的性能，压电常数d₃₃=530 pC/N, 室温时的相对介电常数ε_r =3800（Dezhen Xue, Yumei Zhou, Huixin Bao, Jinghui Gao, Chao Zhou et al, Large piezoelectric effect in Pb-free Ba(Ti,Sn)O₃-x(Ba,Ca)TiO₃ ceramics, Appl. Phys. Lett. 2011，99：122901），该课题组还发现(Ba,Ca)(Ti,Zr)O₃体系的压电陶瓷同样具有优异的性能。他们关于钛酸钡基压电材料的研究极大的引起了人们的注意力。研究发现压电陶瓷的压电性能在相转变区得到了增强，在相转变区由于自由能曲面的变平使极化状态不稳定，从而使在外电场或应力下极化改变变得容易，材料的介电和压电性能因此得到增强（Jürgen. R?del, Wook Jo, Klaus T. P. Seifert, Eva-Maria Anton, and Torsten Granzow, Dragan Damjanovic, Perspective on the Development of Lead-free Piezoceramics, J. Am. Ceram.Soc,2008, 92 [6]：1153–1177）。但(Ba,Ca)(Ti,Zr)O₃体系的相转变不仅由组分改变引起（MPB），而且温度变化也可以引起相结构变化（PPT）。对于钛酸钡基压电材料性能增强是在居里温度以下的多晶型相转变处（PPT），比如在5℃对应的正交-四方相转变处。Ca²⁺, Sn⁴⁺离子掺杂可以有效的改变钛酸钡的相转变温度（B. Jaffe, W. R. Cook, and H. Jaffe. Piezoelectric Ceramics. London: Academic; 1971），可以通过这两种离子的共同掺杂来改变改变钛酸钡的相转变温度以在室温处形成相共存区，增强钛酸钡基陶瓷的压电性能。

尽管在PPT处可以获得较高的压电性能，但是压电性能具有明显的温度依赖性（W. Li, Z. Xu, R. Chu, P. Fu, G. Zang, Temperature Stability in Dy-Doped (Ba_0.99Ca_0.01)(Ti_0.98Zr_0.02)O₃ Lead-Free Ceramics with High Piezoelectric CoefficientJournal of the American Ceramic Society 2011，94：3181-3183.），这是由于在温度-组分相图上PPT相界是明显倾斜的，即温度的变化引起相变，进而使材料的压电性能随温度升高而下降，影响了实际应用。本发明通过对钛酸钡基压电陶瓷的研究，不仅得到了拥有较高压电性能的锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷体系，而且其性能在20-70℃内相对稳定，具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是为了解决无铅压电陶瓷压电性能较差与温度稳定性不好的问题，提供一种BCT–BST二元陶瓷粉体（锡钛酸钡钙基无铅压电陶瓷粉体）及其陶瓷的制备工艺，所述陶瓷不仅具有较好的压电性能，而且具有优异的温度稳定性。本发明得到国家“863”计划（2013AA030501）、山东省自然科学基金（ZR2012EMM004，）、山东省博士基金(No. BS2010CL010)的资助。