[发明专利]一种具有微米内晶型结构的陶瓷-金属无铅压电复合材料及制备方法

说明书

一种具有微米内晶型结构的陶瓷‑金属无铅压电复合材料及制备方法，属于压电复合材料技术领域。微米尺寸的Ag金属颗粒作为第二相均匀分布在BCTZ陶瓷晶粒内部形成微米内晶型结构。由于这种特殊微米结构的存在，在压电材料中实现高压电常数和低介电常数的同时获得，在压电能量收集器应用领域具有重要前景。

技术领域

本发明属于压电复合材料技术领域，具体涉及一种可应用于能量收集器件的具有高压电常数和低介电常数的铁电复合材料及其制备方法。

背景技术

在能源危机的时代背景之下，如何将环境中废弃的能量收集并转换为可再利用的电能被各国政府、学术界乃至广大公众所共同关注。其中，基于压电效应的能量收集器件，可以将环境中产生的机械能转换为电能，具有高能量转化效率、高输出电压、不受电磁干扰、易小型化等特点，因而具有广阔的应用前景。然而，目前报道的能量收集器件功率密度较低(μW/mm³量级及以下)，与电子器件的功率需求仍然存在明显的差距。为了实现高的能量密度，压电材料需要具有高的换能系数(d×g＝d²/ε)，即高的压电常数(d)和低的介电常数(ε)。当前，用于能量收集研究的压电材料主要以钙钛矿铅基铁电陶瓷材料为主。近年来，随着环保意识的增强，人们不得不开发高性能无铅压电陶瓷。

0.5Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃-0.5(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃(BZT-50BCT)是一种重要的无铅压电材料体系，自从2009年被提出以来，一直得到广泛的关注。该无铅材料具有高的压电电荷常数d₃₃(500pC/N)，然而它的介电常数ε_r也很高(4000)，无法获得高的换能系数(d₃₃×g₃₃)。目前，普遍的方法是构建准同型相界(MPB)、多态相转变(PPT)或引入掺杂元素进行改性。然而，由于铁电材料的本征压电常数正比于它的介电常数的平方根。因此，这种方法无法显著提升材料的换能系数。

在本发明中，我们首次通过微米内晶型结构设计成功在压电材料中实现高压电常数和低介电常数的同时获得。研究中，使用亚微米级的BZT-50BCT作为压电相、纳米级的氧化银颗粒作为导电相，通过无压烧结制备了微米尺寸的银颗粒均匀分布于陶瓷晶粒内部(内晶型)的陶瓷-金属压电复合材料，该复合材料具有高的换能系数。

发明内容

本发明提供了一种同时具有高压电常数和低介电常数的无铅压电复合材料及其制备方法。本发明的压电复合材料其微观结构特征在于具有新颖的微米内晶型结构，即微米尺度的Ag颗粒作为第二相均匀分布在BCTZ陶瓷晶粒内部。这种特殊结构的存在使得材料的介电性能大幅度下降，同时压电性能维持稳定，获得高的换能系数。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

该复合材料的化学组成为：Ba_0.85Ca_0.15Ti_0.9Zr_0.1O₃(BCTZ)/xAg，x的数值为0.5mol.％～10mol.％，进一步优选金属Ag的含量为3mol.％。

本发明上述具有微米内晶型结构的压电复合材料的制备方法，其特征在于，选择亚微米尺度的BCTZ陶瓷粉体作为基体材料，先采用纳米尺度的金属氧化物Ag₂O颗粒进行填充，通过无压烧结工艺制备得到，具体包括以下步骤：