[发明专利]高电学性能的铌铟酸铅‑铌镁酸铅‑钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷及其制备方法和应用

摘要

高电学性能的铌铟酸铅‑铌镁酸铅‑钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷及应用，本发明涉及压铁电材料领域。本发明要解决现有PIN‑PMN‑PT单晶组分分凝、可用尺寸受限、力学性能差、PIN‑PMN‑PT陶瓷电学性能低的问题。化学通式为xPb(In1/2Nb1/2)O3‑(1‑x‑y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3‑avol.％BaTiO3；方法二步合成法制备PIN‑PMN‑PT细晶基体粉体，局部化学微晶取代法制备BaTiO3片状微晶模板，采用模板晶粒定向生长技术制备沿[001]高度取向的PIN‑PMN‑PT基三元系弛豫铁电织构陶瓷。应用于超声换能器、压电驱动器及压电传感器领域。

主权项

高电学性能的铌铟酸铅‑铌镁酸铅‑钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷，其特征在于高电学性能的铌铟酸铅‑铌镁酸铅‑钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷的化学通式为xPb(In1/2Nb1/2)O3‑(1‑x‑y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3‑avol.％BaTiO3，其中，0.16≤x≤0.36，0.26≤y≤0.36，0<a≤10；所述的高电学性能的铌铟酸铅‑铌镁酸铅‑钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷沿[001]方向的取向度为90％以上，三方‑四方相变温度达120℃以上，居里温度达200℃以上，压电常数达1550pC/N以上；所述的高电学性能的铌铟酸铅‑铌镁酸铅‑钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷的制备方法是按以下步骤完成的：一、采用二步合成法制备纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3‑(1‑x‑y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3细晶基体粉体，其中0.16≤x≤0.36，0.26≤y≤0.36：①、采用固相反应法分别合成纯相的MgNb2O6前驱体粉体和纯相的InNbO4前驱体粉体；②、以纯相的MgNb2O6前驱体粉体和纯相的InNbO4前驱体粉体为原料，采用固相反应法合成纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3‑(1‑x‑y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3细晶基体粉体，其中0.16≤x≤0.36，0.26≤y≤0.36；二、采用局部化学微晶取代法制备纯相的BaTiO3片状微晶模板：①、采用熔盐法合成Bi4Ti3O12片状微晶；②、以Bi4Ti3O12片状微晶为前驱体，采用熔盐法合成BaBi4Ti4O15片状微晶；③、以BaBi4Ti4O15片状微晶为前驱体，通过局部化学微晶取代合成纯相的BaTiO3片状微晶模板；三、采用模板晶粒定向生长技术制备沿[001]择优取向的PIN‑PMN‑PT基三元系弛豫铁电织构陶瓷：①、制备流延浆料：将纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3‑(1‑x‑y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3细晶基体粉体置于聚乙烯球磨罐中，其中，0.16≤x≤0.36，0.26≤y≤0.36，先向聚乙烯球磨罐中加入溶剂和分散剂，球磨12h～48h，再向聚乙烯球磨罐中加入粘合剂和塑化剂，球磨12h～48h，然后向聚乙烯球磨罐中加入纯相的BaTiO3片状微晶模板，球磨30min～60min，得到流延浆料；所述的纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3‑(1‑x‑y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3细晶基体粉体与纯相的BaTiO3片状微晶模板的体积比为100:a，其中0<a≤10；所述的纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3‑(1‑x‑y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3细晶基体粉体与溶剂的体积比为(0.25～0.50):1；所述的纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3‑(1‑x‑y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3细晶基体粉体与分散剂的体积比为(8～14):1；所述的纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3‑(1‑x‑y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3细晶基体粉体与粘合剂的体积比为(3～6):1；所述的纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3‑(1‑x‑y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3细晶基体粉体与塑化剂的体积比为(2.5～5.0):1；②、流延：将流延浆料抽真空去泡后，在流延速度为1cm/s～9cm/s的条件下，利用流延机将流延浆料进行流延，流延刮刀与底膜之间的距离为30μm～360μm，流延后平放静置24h，得到膜片，用切膜刀将膜片切割，得到切割好的膜片；③、叠压：将切割好的膜片进行多层叠压，得到叠压后的膜片，叠压机参数为上压台温度为65℃～85℃，下压台温度为65℃～85℃，压力为5MPa～30MPa；④、热水等静压：在压力为20MPa～50MPa及水温为70℃～80℃的条件下，对叠压后的膜片进行等静压，时间为15min～60min，得到热水等静压后的膜片；⑤、切割：将热水等静压后的膜片用切割机切割，得到切割后的素坯样品；⑥、排胶：将切割好的素坯样品放入低温炉，在升温速率为0.1℃/min～0.5℃/min下，将低温炉由室温升温至550℃～650℃，然后在温度为550℃～650℃下保温1h～6h，得到排胶后的素坯；⑦、冷等静压：在压力为150MPa～300MPa及油温为室温的条件下，将排胶后的素坯进行等静压，时间为1min～6min，得到冷等静压后的样品；⑧、烧结：将冷等静压后的样品置于高温炉中，在烧结温度为1225℃～1275℃的条件下，保温3h～15h，得到沿[001]择优取向的PIN‑PMN‑PT基三元系弛豫铁电织构陶瓷，即化学通式为xPb(In1/2Nb1/2)O3‑(1‑x‑y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3‑avol.％BaTiO3的高电学性能的铌铟酸铅‑铌镁酸铅‑钛酸铅弛豫铁电织构陶瓷，其中，0.16≤x≤0.36，0.26≤y≤0.36，0<a≤10；步骤一①中采用固相反应法分别合成纯相的MgNb2O6前驱体粉体和纯相的InNbO4前驱体粉体具体是按以下步骤进行的：按化学式为MgNb2O6的配比称取MgO纳米原料和Nb2O5纳米原料，将称取的MgO纳米原料和Nb2O5纳米原料混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨24h～72h，得到球磨后的湿料A，将球磨后的湿料A置于温度为50℃～100℃的烘箱内烘干，得到干燥块料A，将干燥块料A置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料A，然后将粉料A置于刚玉坩埚中，在温度为900℃～1150℃下预烧2h～6h，得到纯相的MgNb2O6前驱体粉体；按化学式为InNbO4的配比称取In2O3纳米原料和Nb2O5纳米原料，将称取的In2O3纳米原料和Nb2O5纳米原料混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨24h～72h，得到球磨后的湿料B，将球磨后的湿料B置于温度为50℃～100℃的烘箱内烘干，得到干燥块料B，将干燥块料B置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料B，然后将粉料B置于刚玉坩埚中，在温度为900℃～1150℃下预烧2h～6h，得到纯相的InNbO4前驱体粉体；步骤一②中以纯相的MgNb2O6前驱体粉体和纯相的InNbO4前驱体粉体为原料，采用固相反应法合成纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3‑(1‑x‑y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3细晶基体粉体，其中0.16≤x≤0.36，0.26≤y≤0.36具体是按以下步骤进行的：按化学通式为xPb(In1/2Nb1/2)O3‑(1‑x‑y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3配比称取纯相的MgNb2O6前驱体粉体、纯相的InNbO4前驱体粉体、Pb3O4和纳米TiO2，其中0.16≤x≤0.36，0.26≤y≤0.36，然后将称取的纯相的MgNb2O6前驱体粉体、纯相的InNbO4前驱体粉体、Pb3O4和纳米TiO2混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨24h～96h，得到球磨后的湿料C，将球磨后的湿料C置于温度为50℃～100℃的烘箱内烘干，得到干燥块料C，将干燥块料C置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料C，然后将粉料C置于刚玉坩埚中，在温度为700℃～850℃下预烧2h～6h，得到PIN‑PMN‑PT基体粉体，然后将PIN‑PMN‑PT基体粉体置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨12h～72h，得到球磨后的PIN‑PMN‑PT基体粉体，将球磨后的PIN‑PMN‑PT基体粉体置于温度为50℃～100℃的烘箱内烘干，得到纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3‑(1‑x‑y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3细晶基体粉体，其中0.16≤x≤0.36，0.26≤y≤0.36；步骤二①中采用熔盐法合成Bi4Ti3O12片状微晶具体是按以下步骤进行的：按化学式为Bi4Ti3O12的配比称取Bi2O3和TiO2，然后将称取的Bi2O3和TiO2及熔盐置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球球磨24h～48h，得到球磨后的湿料D，将球磨后的湿料D置于温度为50℃～100℃的烘箱内烘干，得到干燥块料D，将干燥块料D置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料D，然后将粉料D置于刚玉坩埚中，在温度为1050℃～1125℃下煅烧1h～6h，得到煅烧产物D，再将煅烧产物D经超声波分散后，再用去离子水清洗，直至洗涤液中不含Cl‑，得到清洗后的产物D，将清洗后的产物D置于温度为80℃～120℃的烘箱内烘干，得到Bi4Ti3O12片状微晶；所述的熔盐为NaCl熔盐和KCl熔盐的混合物，所述的NaCl熔盐与KCl熔盐的摩尔比为1:1，所述的熔盐的质量与Bi2O3和TiO2的总质量的比为1:1；步骤二②中以Bi4Ti3O12片状微晶为前驱体，采用熔盐法合成BaBi4Ti4O15片状微晶具体是按以下步骤进行的：取Bi4Ti3O12片状微晶、BaCO3和TiO2，然后将Bi4Ti3O12片状微晶、BaCO3和TiO2及熔盐混合，得到混合原料E，再以无水乙醇作为介质，对混合原料E磁力搅拌12h～48h，然后将磁力搅拌后的混合原料E置于温度为50℃～100℃的烘箱内烘干，得到干燥粉料E，然后将干燥粉料E置于刚玉坩埚中，在温度为1050℃～1100℃下煅烧1h～4h，得到煅烧产物E，将煅烧产物E经超声波分散后，然后用去离子水清洗，直至洗涤液中不含Cl‑，得到清洗后的产物E，将清洗后的产物E置于温度为80℃～120℃的烘箱内烘干，得到BaBi4Ti4O15片状微晶；所述的Bi4Ti3O12片状微晶与BaCO3的摩尔比为1:1.1；所述的Bi4Ti3O12片状微晶与TiO2的摩尔比为1:1.1；所述的熔盐为BaCl2.2H2O熔盐和KCl熔盐的混合物，所述的BaCl2.2H2O熔盐与KCl熔盐的摩尔比为1:1，所述的熔盐的质量与Bi4Ti3O12片状前驱体、BaCO3和TiO2的总质量的比为1:1；步骤二③中以BaBi4Ti4O15片状微晶为前驱体，通过局部化学微晶取代合成纯相的BaTiO3片状微晶模板具体是按以下步骤进行的：取BaBi4Ti4O15片状微晶及BaCO3，然后将BaBi4Ti4O15片状微晶、BaCO3及熔盐混合，得到混合原料F，再以无水乙醇作为介质，对混合原料F磁力搅拌12h～48h，然后将磁力搅拌后的混合原料F置于温度为50℃～100℃的烘箱内烘干，得到干燥粉料F，然后将干燥粉料F置于刚玉坩埚中，在温度为950℃～1000℃下煅烧2h～8h，得到煅烧产物F，将煅烧产物F经超声波分散后，然后用去离子水清洗，直至洗涤液中不含Cl‑，再用稀硝酸清洗直至清洗后的稀硝酸呈酸性，得到纯相的BaTiO3片状微晶模板；所述的BaBi4Ti4O15片状微晶与BaCO3的摩尔比为1:4；所述的熔盐为NaCl熔盐和KCl熔盐的混合物，所述的NaCl熔盐与KCl熔盐的摩尔比为1:1，所述的熔盐的质量与BaBi4Ti4O15片状微晶和BaCO3的总质量的比为1:1；步骤三①中所述的溶剂为质量比为1:1的二甲苯和乙醇的混合溶液；步骤三①中所述的分散剂为熔鲱鱼油；步骤三①中所述的塑化剂为质量比为1:1的聚亚烷基二醇和邻苯二甲酸丁苄酯的混合物；步骤三⑧中烧结气氛为氧气气氛或空气气氛，所述的氧气或者空气气体流量为0.1L/min～0.4L/min。