[发明专利]具有负电卡效应的钛酸铋基铋层状结构无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开一种具有负电卡效应的钛酸铋基铋层状结构无铅压电陶瓷及其制备方法。所述钛酸铋基铋层状结构无铅压电陶瓷的化学组成为Bi_4‑xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂，其中0＜x≤0.07。所述钛酸铋基铋层状结构无铅压电陶瓷具有工作温区宽和负电卡效应大的特点，在制备、使用和废弃过程中对生态环境和人类健康不会造成危害，适用于未来微型致冷器的开发。

技术领域

本发明属于电子功能材料与器件技术领域，具体涉及一种具有负电卡效应的钛酸铋基铋层状结构无铅压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

制冷技术在日常生活和工业生产中不可或缺。传统制冷技术多以氟利昂为媒介制冷剂，在该制冷过程中整个循环为蒸汽压缩过程。基于电卡效应的可逆绝热温变性制得的固态制冷器件，具有高效率、小体积、方便使用、有益环保等优势。据此，电卡效应固态制冷有望取代高能耗的制冷技术以大幅提高制冷循环的工作效率，还可以减少对环境的破坏，更加符合友好型生态理念。

2006年Mischenko A,Zhang Q,Scott J等人在PbZr_0.95Ti_0.05O₃薄膜中发现巨大的电卡效应(Science,2006,311(5765):1270-1271)。但是薄膜材料的极小厚度与体积以及制备薄膜过程附加的基片对固态制冷器件的应用设计带来非常大的局限。与薄膜材料相比，块体材料可以更好地应用到中大型制冷设备方面。

当前负电卡效应的研究主要集中在含铅膜上，然而，铅挥发使得铅基材料在制备、使用和废弃过程中对生态环境和人类健康造成严重危害。且含铅膜的制备对周边环境的要求很高。因此含铅膜的应用已经逐步受到限制。研制无铅铁负电卡效应陶瓷、寻找环境友好和工作温区宽的电卡材料是关系到我国电子技术可持续发展的紧迫任务之一，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的技术目的在于提供一种环保、无危害的具有负电卡效应的钛酸铋基铋层状结构无铅压电陶瓷及其制备方法，所述钛酸铋基铋层状结构无铅压电陶瓷具有工作温区宽和负电卡效应大的特点，在制备、使用和废弃过程中对生态环境和人类健康不会造成危害，适用于未来微型致冷器的开发。

第一方面，本发明提供一种具有负电卡效应的钛酸铋基铋层状结构无铅压电陶瓷。所述钛酸铋基铋层状结构无铅压电陶瓷的化学组成为Bi_4-xCe_xTi_2.98(WNb)_0.01O₁₂。x指的是铈的摩尔百分比。其中，0＜x≤0.07。x大于0.07时无铅压电陶瓷会产生极大的漏电流，导致负电卡效应被掩盖。

较佳地，所述钛酸铋基铋层状结构无铅压电陶瓷于50-100kV/cm的电场强度下在30-150℃的温度区间内具有负电卡效应。一些技术方案中，所述钛酸铋基铋层状结构无铅压电陶瓷于50-100kV/cm的电场强度下在30-150℃的温度区间内的负电卡温变△T为-0.01至-1.0K。

较佳地，0.03≤x≤0.06。在该范围内所述钛酸铋基铋层状结构无铅压电陶瓷具有较高的负电卡温变。

第二方面，本发明提供上述任一项所述的具有负电卡效应的钛酸铋基铋层状结构无铅压电陶瓷的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：

步骤(1)按照钛酸铋基铋层状结构无铅压电陶瓷的化学计量比称取Bi₂O₃、TiO₂、WO₃、Nb₂O₅、CeO₂以作为原料；