[发明专利]一种高剩余极化强度BNT基铁电陶瓷材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种高剩余极化强度BNT基铁电陶瓷材料及其制备方法与应用。所述高剩余极化强度BNT基铁电陶瓷材料的化学组成为(1‑x)Bisubgt;0.5/subgt;Nasubgt;0.5/subgt;TiOsubgt;3/subgt;‑xAgNbOsubgt;3/subgt;；其中0.01≤x≤0.05，优选地，x＝0.02。

技术领域

本发明属于功能陶瓷材料领域，具体涉及一种通过两步合成法制备的高剩余极化强度Bi_0.5Na_0.5TiO₃基无铅铁电陶瓷材料及其应用，该种陶瓷材料具有压力诱导铁电-弛豫相变的特性。

背景技术

铁电材料在各种外场(温度场、电场、应力场)下的相变行为一直是研究的热点，其中应力场下的相变行为主要以高功率脉冲电源(也称为高功率脉冲电源技术)为应用场景。在冲击波作用下，极化后的铁电陶瓷可以在几微秒的时间内迅速去极化，产生强的电流脉冲(低阻抗负载时)或电压脉冲(高阻抗负载时)，从而输出兆瓦级功率的脉冲能量。高功率脉冲电源在实际应用中需要达到百kV级别的高压输出，而目前单片陶瓷片的极限为十kV级输出，所以在器件布局上多采用多层串联铁电陶瓷堆方式。出于对高功率脉冲电源器件小型化、集成化的要求，需要开发高能量密度的铁电陶瓷材料。铁电陶瓷的储能密度可由公式W＝P_r²/2ε₀ε_r，P_r为剩余极化强度，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电强度。要实现高能量密度，高的剩余极化强度是关键因素。

用于高功率脉冲电源的铁电材料，需要其在等静压或者冲击波下有退极化行为。该现象在很多材料中都已被发现，如Pb(Zr,Ti)O₃(PZT)、(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O₃(PLZST)、(Pb,Nb)(Zr,Sn,Ti)O₃(PNZST)和Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃(PMN-PT)等。在这些材料体系中，目前商用的主要是PZT95/5材料，其通过调控组分至反铁电-铁电相界而获得极化后亚稳态的铁电相，压力下发生FE-AFE相变。致密的PZT 95/5铁电陶瓷的最大剩余极化强度为35μC/cm²左右。为了获得更高的能量输出密度和温度稳定性，研究人员一直在探索适合于高功率脉冲电源应用要求的新型铁电材料。新型的高功率脉冲电源用铁电材料需达到的目标有：高的储能密度、低的体积密度和高的温度稳定性。

Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)铁电材料具有较强的铁电性(Pr～38μC/cm²)和独特的弛豫特征，适合构筑具强铁电性的近相界铁电材料。但纯BNT本身具有高矫顽场、高漏导等缺点，无法满足耐电和极化的要求。通常采取元素掺杂或者第二组元固溶的方法进行改性。但是，目前诸如BNT-BT、BNT-NN、BNT-ST等固溶组分多关注于压电系数、电致应变、储能等方面的研究，而且固溶组分的加入会降低相变温度，导致剩余极化强度的降低，导致上述组分的剩余极化强度通常低于纯BNT。因此，选取合适的固溶组分，探索具有高剩余极化强度的BNT基铁电陶瓷值得关注。

除了组分调控之外，要实现高剩余极化强度还需要高的耐击穿强度，这与材料的形貌结构密切相关，需要陶瓷材料具有高致密度，并且形貌、结构分布均匀，其中为获得性能优良的铁电陶瓷材料，相当多的关注集中在制备技术上。除了传统的固相烧结法之外，比较典型的有溶胶-凝胶法、湿化学法、熔盐法等。传统的预合成和烧结工艺，未有将固溶成分的合成过程分开，因此不利于获得单一相、均匀晶粒和高致密度的陶瓷，而且不利于材料的铁电和热释电性能提高以及介电损耗的降低。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于铁电-弛豫相变的高剩余极化强度BNT基铁电陶瓷材料及其制备方法与应用。