[发明专利]高性能钛酸铋钠体系无铅电致伸缩陶瓷及其制备和应用

说明书

本发明涉及高性能钛酸铋钠体系无铅电致伸缩陶瓷及其制备和应用，化学组成为(Na_0.5Bi_0.5)_(0.94‑x)(Sr_0.8Bi_0.1)_xBa_0.06(Ti_0.997Zr_0.003)O_3‑0.05x，其中x＝0.005～0.1，样品制备采用固相烧结，将原料按化学计量比进行配料，混合后进行一次球磨和预烧结，再经过二次球磨、造粒后压制成型得到陶瓷生坯，经1120‑1180℃高温烧结得到高质量陶瓷样品。本发明制备的钛酸铋钠体系无铅陶瓷为环境友好型材料，电致伸缩系数高达0.035m⁴/C²，显著优于传统的铅基电致伸缩材料，且具有优异的温度稳定性，可广泛用于制造驱动器和位移传感器等电子器件。

技术领域

本发明属于电致伸缩陶瓷领域，尤其是涉及一种高性能钛酸铋钠体系无铅电致伸缩陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

驱动器在使用过程中往往需要高的应变输出，这种应变通过铁电材料的压电效应或电致伸缩效应产生。电致伸缩是指电场诱导的应变与极化强度平方成线性关系的一种效应，表示为：S＝Q₃₃P²。电致伸缩效应作为一种基本的机电耦合效应而广泛存在于介电材料中，其在微机电系统(MEMS)、高精度传感器和位移器等各领域具有重要应用。电致伸缩效应相比于传统的压电效应具有很多优势，如外场激励下无滞后、优异的温度稳定性、快速的响应时间且无需极化处理。

在传统的铅基弛豫铁电材料中，如Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃(PMN)和Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃(PZN)陶瓷或单晶等，研究人员发现了0.1％级别的电致应变和0.02m⁴/C²左右的电致伸缩系数，该性能可满足驱动器的应用(F.Li,L.Jin,Z.Xu,S.Zhang,Electrostrictive effect inferroelectrics:an alternative approach to improve piezoelectricity,Appl.Phys.Rev.2014,1:011103/1-21)。然而铅是一种有毒元素，传统铅基陶瓷中的氧化铅在总质量中占比高达60％，在铅基陶瓷的制备和烧结过程中氧化铅的挥发会造成严重污染，且铅进入人体后不易消除，将使大脑和神经系统受损，为此许多国家立法禁止使用含铅电子材料。如2003年欧盟颁布了著名的RoHS法令；日本通过了《家用电子产品回收法案》；我国信息产业部于2006年出台《电子信息产品生产污染防治管理办法》并于2007年3月1日起生效，要求全面限制电子产品中使用铅、镉、六价铬等有害成分。在这一背景下，国内外纷纷加强无铅压电材料的研究。