[发明专利]基于金属阳离子掺杂的铁电材料及其制备方法

说明书

一种基于金属阳离子掺杂的铁电材料，在(1‑x)Na_0.5Bi_0.5TiO₃‑xBaTiO₃中掺杂金属阳离子制得，其特征在于该铁电材料的化学式为：Na_0.5‑0.5xBi_0.5‑0.5xBa_xM_yTi_1‑yO₃，其中0≤x≤0.07，0.005≤y≤0.04，M为价态低于+4价的金属阳离子，通过金属阳离子取代Ti⁴⁺，进而提高铁电材料的退极化温度。本发明还公开了上述铁电材料的制备方法。与现有技术相比，本发明能有效提高铁电材料的退极化温度，且制备方法简单。

技术领域

本发明属于无铅压电材料技术领域，具体涉及一种基于金属阳离子掺杂的铁电材料 及其制备方法。

背景技术

铁电材料的一个重要特性就是其具有优异的压电效应，由于其优异的压电性 能在一些电学器件的应用上起着重要的作用，例如：压电换能器、压电蜂鸣器、 压电传感器、加速器、压电执行器、压电点火器、压电微音器、压电变压器、压 电滤波器、微型机电系统(MEMS)等等。应用最为广泛的还是含铅的 PbTiO₃-PbZrO₃(PZT)压电陶瓷，但是传统的铅基压电陶瓷中含有大量氧化铅，含 铅压电陶瓷在制备、使用及废弃后处理过程中都会有大量的铅被释放到环境中， 从而给环境和人类健康带来很大的损害。近年来，许多国家正在研究立法禁止使 用含铅的压电铁电材料。从2002年开始欧州议会和欧盟理事会，日本，美国等 国家都推行了电子产品的无铅化的规定，有效地制约了电器和电子产品中某些有 害物质的使用。美国、日本等国家已经在不断地加大对无铅压电陶瓷的基础研究 与开发，开发性能优良的无铅压电陶瓷已经成为目前国际研究的前沿和热点之 一。

压电陶瓷产品在全球每年有几十亿美元的市场，而且以平均8.9％的速度在高 速增长，如果考虑美、日和欧洲将生产企业不断地向中国转移，我国市场的增长 速度比平均的要大许多，市场迫切需要成熟的无铅压电陶瓷材料。综上所述，部 分取代以至于完全取代含铅压电陶瓷器件是一项具有重要科学意义和巨大社会 经济效益的项目。

Bi_0.5Na_0.5TiO₃压电陶瓷作为目前一种最有应用前景的无铅压电陶瓷，钛酸铋 钠Bi_0.5Na_0.5TiO₃具有铁电性强、烧结温度低等优点。三方相的钛酸铋钠与四方相 的钛酸钡固溶形成(1-x)Na_0.5Bi_0.5TiO₃-xBaTiO₃铁电陶瓷，其中x为摩尔含量。我 们知道(1-x)Na_0.5Bi_0.5TiO₃-xBaTiO₃铁电陶瓷在0.06x0.07具有最好的压电性能， 但是其存在一个重要的制约因素，即退极化温度，也即当环境温度接近这个温度 就会使陶瓷的压电性能大大降低，进而大大限制其使用。根据 (1-x)Na_0.5Bi_0.5TiO₃-xBaTiO₃铁电陶瓷的退极化是长程铁电序—弛豫弱极性相转变 [Journal of Applied Physics 110,074106(2011)]。根据朗道理论，电场有利于铁电 相的稳定，但是在使用的时候外加电场将大大增加装置的复杂度。

故而，找到合理的方法，提高铁电材料的稳定性具有积极的意义。