[发明专利]高电学性能的无铅压电钛酸钡基织构陶瓷的制备方法和应用

说明书

高电学性能的无铅压电钛酸钡基织构陶瓷的制备方法和应用，本发明涉及压铁电材料领域。本发明要解决现有钛酸钡基陶瓷的改进使得该体系陶瓷的应变迟滞H_s变大，虽然钛酸钡基陶瓷的部分电学性能参数有一定的提高，但其另一部分性能参数，如居里温度T_c却被恶化的问题。化学通式为(Ba_1‑xCa_x)(Ti_1‑yZr_y)O₃，0.01≤x≤0.12，0.02≤y≤0.08；方法：一、采用模板晶粒定向生长技术制备沿[001]_c高度取向的无铅压电钛酸钡基织构陶瓷；二、采用工程畴技术制备高电学性能的无铅压电钛酸钡基织构陶瓷。应用于高灵敏度、高精确度的压电驱动器、压电传感器及超声换能器领域。

技术领域

本发明涉及压铁电材料领域。

背景技术

压电陶瓷是一种能够实现机械能和电能相互转换的功能陶瓷材料，可作为驱动器、传感器、换能器、谐振器和滤波器等被广泛应用于航空航天、电子设备、通信技术、自动控制和能源等高新技术领域。目前，应用最广且主宰压电陶瓷材料市场的是Pb(Zr,Ti)O₃(简写为PZT)基为主的多晶材料。然而，这些材料中PbO(或Pb₃O₄)约占原料总质量的70％以上，导致其在生产、使用以及废弃处理过程中对人类健康和生态环境造成危害。因此，采用无铅的压电陶瓷材料来替代传统的铅基压电材料就成为压电陶瓷发展的必然趋势，开发新一代无铅压电陶瓷材料已成为一项紧迫且具有重大实用价值的课题。

钛酸钡基(BaTiO₃，BT)压电陶瓷被认为是最具有吸引力的无铅压电材料体系之一。然而，纯BaTiO₃陶瓷的压电性能不足，压电常数d₃₃仅为190pC/N左右。2009年，Liu W 等人以Zr⁴⁺取代部分Ti⁴⁺，同时以Ca²⁺取代部分Ba²⁺，制备了(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.10Ti_0.90)O₃无取向陶瓷，发现其d₃₃高达620pC/N(Liu,W.；Ren,X.,Large Piezoelectric Effect in Pb-free Ceramics.Phys.Rev.Lett.,2009,103,257602)，使BT基无铅压电陶瓷的研究取得了重要的进展。为了使该体系陶瓷的综合性能得到进一步改善，随后，国内外研究学者通过离子取代、引入新组元以及掺杂改性等对BT基陶瓷进行组分设计，并采用传统陶瓷工艺制备普通无取向陶瓷。然而，通过以上手段设计并制备的BT基陶瓷的应变迟滞H_s较大，部分可高达20％以上，严重地限制了该类陶瓷在高精确度、高灵敏度的压电驱动器、压电传感器以及超声换能器等领域的应用。此外，虽然BT基陶瓷的部分电学性能参数有一定的提高，但其另一部分性能参数(例如居里温度T_c)却被恶化，降低至60℃以下，BT基陶瓷的综合电学性能并没有得到整体地改善，进一步阻碍了其在高性能电子器件中的应用。

与无取向陶瓷相比，制备晶粒沿一定方向择优生长的织构陶瓷可望使得BT基陶瓷的性能整体上得到提高，并且织构陶瓷生产成本低，可重复性好。此外，工程畴技术依靠对定向材料进行极化方向优化，使材料具有多畴状态，有望降低材料的应变迟滞H_s。

发明内容

本发明要解决现有钛酸钡基陶瓷的改进使得该体系陶瓷的应变迟滞H_s变大，虽然钛酸钡基陶瓷的部分电学性能参数有一定的提高，但其另一部分性能参数，如居里温度T_c却被恶化的问题，而提供高电学性能的无铅压电钛酸钡基织构陶瓷及其制备方法和应用。