[发明专利]氧化锌掺杂锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷

说明书

技术领域

本发明是关于以成分为特征的陶瓷组合物，尤其涉及(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.10Ti_0.90)O₃体系的无铅压电陶瓷。

背景技术

压电材料是实现电能和机械能相互转换的一类重要功能材料。因此压电材料在机械、电子通讯、军事等诸多领域有着广泛的应用，是一类极其重要的高技术新材料。其主要应用有：压电变压器、压电超声换能器、压电继电器、压电信号发生器、标准信号源、滤波器等等。

现今电子元件几乎遍布人们生活的每一个方面，但是大多数电子元器件是含铅的，给人们的生活环境造成了严重污染。其原因主要是目前在压电陶瓷领域，锆钛酸铅基陶瓷是在基础研究和实用方面都是最为成功的一类材料，但是由于其中含铅，在制备、使用及废弃后处理过程中都会给人类及生态环境带来严重危害。在这种铅污染日益严重的情况下，人们对“压电陶瓷无铅化”的需求变得更为迫切。近年来，包括我国在内的一系列国家相继颁布了一系列的法令，限制含铅材料在电力、电子设备上的应用。因此，为提升我国在压电陶瓷领域的国际竞争力，开展无铅压电陶瓷的创新性研究有着重要的战略意义。目前无铅压电陶瓷体系主要有：钨青铜结构无铅压电陶瓷、铋层状结构无铅压电陶瓷、钙钛矿型结构无铅压电陶瓷等类型。

(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.10Ti_0.90)O₃是一种具有ABO₃型的钙钛矿结构铁电体，其特点包括：较高的介电常数、高压电性能、低介电损耗和正温度系数效应等优异电学性能。其晶体结构有四种，分别为立方向、四方相、三方相和单斜相。目前BCZT被广泛的用作能量转换器、传感器和接收器等领域。并且其具备优良的微波特性，并被用作多层基片，陶瓷电容器、发光器件、天线等。BCZT陶瓷虽然具有优良的压电性能，但与铅基PZT压电陶瓷相比，还有一定的不足，主要压电性能还有待提高，目前本实验室纯相BCZT压电性能d₃₃在300左右，通过在配方、制备工艺和掺杂改性方面的一些研究，以期获得优良的压电性能，以实现其在压电材料上的应用。

发明内容

本发明的目的，是解决(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.10Ti_0.90)O₃无铅压电陶瓷压电性能较低的弊端，通过加入ZnO提高电学性能，提供一种能具有较好的电学性能的(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.10Ti_0.90)O₃体系无铅压电陶瓷。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种ZnO掺杂锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷，其化学计量式为(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.10Ti_0.90)O₃-xmol％ZnO，其中x＝0.03～0.24；

该ZnO掺杂锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷的制备方法，具有如下步骤：

(1)配料

将原料CaCO3、BaCO3、TiO2和ZrO2，按(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3的化学计量比，以及外加0.03～0.24mol％的ZnO混合后放入球磨罐中；球磨介质为去离子水和氧化锆球，球：料：去离子水的重量比为2：1：0.6；再将混合料放入烘箱内于90℃烘干，然后放入研钵内研磨，过40目筛；

(2)合成

将步骤(1)中过筛后的粉料，放入坩埚内，压实，加盖，密封，在合成炉中于1150℃合成，保温4h，自然冷却到室温，出炉；

(3)二次球磨

将步骤(2)的合成料放入球磨罐中球磨粉碎，再将球磨后的料放入烘箱内于90℃烘干，然后放入研钵内研磨，过60目筛；

(4)压片

将步骤(3)过筛后的粉料，外加质量百分比为7wt.％的聚乙烯醇水溶液进行造粒，压柱均化，再将其捣碎，研磨过筛，压制成型为坯件；

(5)排胶

将步骤(4)的坯件放入马弗炉中，以5℃/min的速率升温至650℃，保温1h，并于200℃和350℃各保温1h，进行有机物排除；

(6)烧结