[发明专利]一种高退极化温度、高压电性能的铁酸铋基压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高退极化温度、高压电性能的铁酸铋基压电陶瓷材料及其制备方法，其化学通式为(1‑x)(0.725BiFeO₃‑0.275BaTiO₃)‑xPbTiO₃+0.8mol％MnO₂，其中0.1≤x≤0.3；制备方法包括首先将各金属氧化物原料混合并依次进行球磨、干燥、预烧后，再与锰源混合并进行二次球磨与干燥，之后与PVA混合并进行造粒与压制成型后，得到陶瓷生坯；最后将陶瓷生坯进行排胶与烧结后，即得到铁酸铋基压电陶瓷材料。与现有技术相比，本发明具有制备方法简单、经济实用等优点，所制备的铁酸铋‑钛酸钡基压电陶瓷具有高居里温度、优异的温度稳定性以及较高的压电常数，表现出广阔的工业应用前景。

技术领域

本发明属于功能陶瓷技术领域，涉及一种高退极化温度、高压电性能的铁酸铋基压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷是一类具有压电特性的电子陶瓷材料，表现为在材料两端施加压应力时，材料表面产生符号相反，数量相同的电荷。未经极化处理的多晶陶瓷内部的极化矢量是混乱取向的，对外不会表现出极性。在陶瓷两端施加恒定的外电场，可以使得极化矢量沿着电场方向择优取向。当其达到饱和极化处理的多晶陶瓷，在撤销外电场之后仍然保留一定的宏观剩余极化强度，对外表现出压电性能。压电陶瓷被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。

如今被广泛研究的压电陶瓷有KNN基、BT基、BNT基等钙钛矿结构陶瓷。每种材料都具有优缺点，比如KNN基陶瓷的压电性能较高，目前最高可达700pC/N，然而其温度稳定性欠佳，居里温度约为200-300℃；BT基陶瓷在MBP处具有高达620pC/N的压电常数，遗憾的是，其居里温度只有100℃左右，极大阻碍了高温领域的使用；BNT基陶瓷具有两个相界，分别是铁电-铁电相界和铁电和弛豫铁电相界，压电常数可以达到200pC/N左右，但严重的退极化行为被发现存在于BNT基陶瓷中，限制了其应用。

目前商业化使用的高压电陶瓷有PZT基压电陶瓷和BS-PT基压电陶瓷，如：Pb(Mn_1/3Nb_2/3)O₃和Pb(Co_1/3Nb_2/3)O₃等组成的三元系。由于铅基陶瓷具有优异的压电性能的同时，还兼具较高的居里温度特性。PZT基压电陶瓷的压电常数可以在保持450℃的居里温度下高达460pC/N。唯一的缺点是，PZT基压电陶瓷具有较低的退极化温度，因此其操作温度一般在居里温度的1/2处以下，温度过高会使压电性能骤降，大大限制了其应用。BS-PT陶瓷也体现出优异的高温压电性能，然而Sc₂O₃原料比较昂贵，这在实际应用中受到一定的局限性。

铁酸铋基压电陶瓷是一种兼具高压电响应和高居里温度的压电材料。2006年，Amorin等人通过热压法制备了BiFeO₃-PbTiO₃(BF-PT)陶瓷，居里温度超过600℃。Hou等人在研究了BF-BZT-PT体系后，于CPB处获得了超过560℃的居里温度。2015年，韩国科学家利用淬火处理的方法获得了d₃₃高达402pC/N的Ga掺杂BF-BT压电陶瓷，其居里温度保持在420℃，遗憾的是，淬火处理的陶瓷片实验重复性不好，且具有较大应力导致容易碎裂。通常情况下，压电常数和居里温度是一对相互制约的性能参数，提高居里温度则需要牺牲一定的压电性能；提高压电性能又势必会影响其居里温度。因此，能够同时实现高居里温度的高压电性能是材料研究者们长期努力的工作之一。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高退极化温度、高压电性能的铁酸铋基压电陶瓷材料及其制备方法，用于解决现有压电陶瓷材料不能同时满足高退极化温度与高压电性能要求的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：