[发明专利]一种钛酸钡基无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于环境友好型功能陶瓷材料领域，具体地说是一种钛酸钡基无铅压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷是一类在电子行业中应用广泛的高新技术材料。但目前市场上占主导地位的是锆钛酸铅Pb(Zr,Ti)O₃ (PZT)基压电陶瓷，PZT 中Pb含量高达60wt. %以上，在其制备、使用及废弃过程中均会对人类身体健康及其生存环境造成危害。因此研发环境友好、性能优异的无铅压电陶瓷是一项迫切的、具有重要社会意义的课题。

在无铅压电陶瓷体系中，钛酸钡基无铅压电陶瓷是一种研发较早、性能较稳定的压电陶瓷材料。经过科研人员的不懈努力，其压电性能得到了大幅度提高，是目前唯一能和PZT基陶瓷相媲美的无铅压电陶瓷材料。但用传统陶瓷工艺制备的钛酸钡基陶瓷存在烧结温度高、烧结时间长、压电性能较低的缺点，添加烧结助剂能够降低陶瓷的致密化烧结温度，但会大大损害陶瓷的其它性能，且烧结温度降低的非常有限。

微波烧结是一种高效节能的烧结方法，与传统固相烧结相比有以下特点：（1）加热速率快，保温时间短；（2）微波能直接穿透一定深度的样品，在不同深度同时加热，不需传热过程，避免了烧结过程中陶瓷晶粒的异常长大，能在较低温度下制备晶粒均匀分布的陶瓷材料；（3）通过调节微波的输出功率，可使样品的加热情况立即发生无惰性改变，便于自动控制和连续操作；（4）微波烧结的热惯性小，烧结结束后能快速降温，热能利用率高。日本学者Hirofumi Takahashi等人利用微波烧结工艺制备的纯钛酸钡陶瓷压电常数d₃₃=350 pC/N，机电耦合系数k_p = 36%；而用传统烧结工艺制备的相同配方的陶瓷最高d₃₃=220 pC/N， k_p = 28%，他们把压电性能提高的原因归结为较高的致密度和较小的晶粒尺寸（Japanese Journal of Applied Physics，2006,45（1）：30-32）。据报道A位Ca²⁺和B位Sn⁴⁺掺杂改性的钛酸钡基陶瓷Ba(Sn, Ti)O₃-(Ba,Ca)TiO₃具有优异的压电性能（APPLIED PHYSICS LETTERS, 2013, 103, 072905; J. Am. Ceram . Soc., 2013, 96[1] 241–245; J. Am. Ceram .Soc. , 2011, 94[12] 4131 – 4134），但用微波烧结工艺制备的此类陶瓷的性能还未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种钛酸钡基无铅压电陶瓷的制备方法，能够快速、高效、节能的制备出压电性能优异，机械品质好，致密度高，温度稳定性好的钛酸钡基无铅压电陶瓷。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种钛酸钡基无铅压电陶瓷，所述陶瓷的组分通式为(Ba_1-x Ca_x)(Ti_1-yM_y)O₃，其中，0<x≤ 0.3，0< y≤0.3，且M为Sn或Hf。

一种钛酸钡基无铅压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、按照Ba、Ca、Ti和M四种元素的摩尔比值为1-x：x：1-y：y的比例，将BaCO₃、CaCO₃、TiO₂和掺杂元素M的化合物配比混合，其中0<x≤ 0.3，0< y≤0.3，然后混合湿磨4~8h，湿磨后取出放置于100 ℃的干燥箱内干燥8-12h；

所述的掺杂元素M的化合物为SnO₂或HfO₂； 

步骤二、将步骤一干燥后的物料放入微波炉中，物料升温至1100-1200 ℃后保温5-60 min，得到钛酸钡基陶瓷粉体，备用；

步骤三、将步骤二得到的陶瓷粉体进行二次湿磨4-6 h，湿磨后取出置于100 ℃的干燥箱内干燥8-12h；