[发明专利]一种织构化压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种织构化压电陶瓷材料及其制备方法，属于无铅压电材料领域。

背景技术

压电陶瓷作为传感器、制动器和变频器被广泛的应用于工业控制、环境监控、通讯、信息系统及医疗器械等领域。目前广泛应用的压电材料主要是具有钙钛矿结构的PZT(PbZrO₃-PbTiO₃)和PT(PbTiO₃)材料。

随着人们对环境保护意识的日益提高，很多国家和地区对电子器件的含铅量控制愈发严格，并且已经提出了无铅化的日程表，这就需要开发能替代PZT(PbZrO₃-PbTiO₃)和PT(PbTiO₃)的无铅压电陶瓷材料。目前，无铅压电材料体系主要包括KNN(Ka_0.5Na_0.5NbO₃)，BNT(Na_0.5Bi_0.5TiO₃)，BT(BaTiO₃)以及高温铋层状陶瓷材料体系。Jaffe等人发现Pb(Zr,Ti)O₃(PZT)陶瓷在一个狭窄的成分区表现出优异的电学性能，这个区域是四方相区与菱方相区的分界线，而被命名为准同型相界(MPB)。将这个概念引入无铅压电领域，由此发现了一系列的具有高压电性能的复合陶瓷材料。但是，该材料体系的压电性能没有得到根本性的提高。

近年来研究表明，压电陶瓷中的晶粒沿某一方向取向生长后(晶粒中晶轴沿一定方向排列的陶瓷称为“晶粒取向”或“织构化”)，其性能可以比晶粒自由生长陶瓷的性能大幅度提高，可以达到晶粒自由生长陶瓷的2倍左右，是同组分单晶性能的60％～80％，并且具有制备时间短、成本低的优点，被誉为“穷人的单晶”。近年来被广泛应用的压电陶瓷晶粒取向生长技术主要包括定向凝固技术、多层晶粒生长技术、模板晶粒生长技术和反应模板晶粒生长技术。其中模板晶粒生长技术(TGG)和反应模板晶粒生长技术(RTGG)制备的样品取向度高，被广泛应用于制备取向生长的压电陶瓷。传统的模板晶粒生长技术主要是通过流延成型的工艺实现，其主要缺点是流延浆料的混料时间长，不利于大规模的工业化生产。

发明内容

本发明的一个目的是在于提供一种具有300℃以上居里温度，且压电性能良好的无铅型高织构化的压电陶瓷材料。

本发明的另一个目的是在于提供一种操作简单、成本低、适用于大规模工业化生产制备所述的织构化织构化压电陶瓷材料的方法。

本发明提供了一种织构化压电陶瓷材料，该织构化压电陶瓷材料是由模板材料晶体和基体材料复合构成，具有001取向的Bi₄Ti₃O₁₂、Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅或Na_0.5Bi_0.5TiO₃模板材料晶体在基体材料中形成定向排列；所述的基体材料具有以下化学表达式：(1-x)Bi_0.5Na_0.5TiO₃—xBaTiO₃，x为0.03～0.09；所述的模板材料为基料质量的1％～30％。

优选的织构化压电陶瓷材料中模板材料为基体材料质量的5％～15％。

优选的织构化压电陶瓷材料中化学表达式中x为0.05～0.07。

本发明还提供了一种所述的织构化压电陶瓷材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤一：制备模板材料晶体和基体材料薄片

1)、通过熔盐法合成具有001晶体结构的Bi₄Ti₃O₁₂、Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅或Na_0.5Bi_0.5TiO₃模板材料；

2)、通过固相反应法、水热法、熔盐法或溶胶凝胶法制备(1-x)Bi_0.5Na_0.5TiO₃—xBaTiO₃基体材料粉体，再将所得基体材料粉体依次经过粘塑性加工工艺和压延工艺处理，得到厚度不大于100μm基体材料薄片；