一種線性電致應(yīng)變無(wú)鉛壓電陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種線性電致應(yīng)變無(wú)鉛壓電陶瓷材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]基于壓電效應(yīng)，我們可以將電學(xué)信號(hào)與力學(xué)信號(hào)自由的轉(zhuǎn)換。而制動(dòng)器(actuator)正是基于逆壓電效應(yīng)應(yīng)用的移動(dòng)壓電器件。通過(guò)逆壓電效應(yīng)，我們可以通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)的大小從而得到需要的微小位移，該位移通常在幾十到幾百納米之間。目前使用的壓電陶瓷多為鐵電材料，即其中的鐵電疇可以在外電場(chǎng)的作用下發(fā)生翻轉(zhuǎn)。而疇壁的翻轉(zhuǎn)不可避免的會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)-應(yīng)變曲線上出現(xiàn)滯回現(xiàn)象。這種滯回現(xiàn)象無(wú)疑會(huì)使電場(chǎng)與應(yīng)變之間的關(guān)系變得復(fù)雜。從器件設(shè)計(jì)的角度而言，大的壓電系數(shù)固然值得追求，而簡(jiǎn)單的電場(chǎng)與應(yīng)變的線性響應(yīng)關(guān)系會(huì)大大的降低器件設(shè)計(jì)的難度。想要得到這樣的一種電場(chǎng)與應(yīng)變的線性關(guān)系，就必然需要降低疇壁的移動(dòng)性。即線性的電場(chǎng)-應(yīng)變關(guān)系需要一降低壓電性能為代價(jià)，因?yàn)樵趬弘娞沾芍校?0% -50%的壓電性能來(lái)源于非本征的疇壁的移動(dòng)。
[0003]就目前使用廣泛的PZT8壓電陶瓷而言，就是通過(guò)摻雜而制造氧空位以釘扎住疇壁的移動(dòng)。在降低其壓電系數(shù)的同時(shí)而獲得移動(dòng)良好的電場(chǎng)與應(yīng)變的線性響應(yīng)曲線。但是隨著歐盟等組織逐步限制對(duì)于鉛元素的使用，PZT8陶瓷中的鉛元素也面臨被禁止使用的可能。因此開(kāi)發(fā)新的無(wú)鉛壓電陶瓷是目前壓電材料研宄的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題之一。而性能可以媲美PZT8陶瓷的無(wú)鉛壓電陶瓷材料目前研宄有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種線性電致應(yīng)變無(wú)鉛壓電陶瓷材料及其制備方法，該方法操作簡(jiǎn)單，制得的壓電陶瓷材料不含鉛，介電性能優(yōu)異。
[0005]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0006]一種線性電致應(yīng)變無(wú)鉛壓電陶瓷材料，該壓電陶瓷材料的組成表達(dá)式為Baa85CaaiS(ZraiTia9) ^xFexO3，其中，x = 0.015 ?0.025。
[0007]一種線性電致應(yīng)變無(wú)鉛壓電陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟:
[0008]I)按化學(xué)式Ba。.85Ca0.15 (Zr0.Ji0.9)卜丹凡中各元素的配比，稱取原料BaCO 3、CaCO3、Ti02、ZrO2^ Fe 203;其中，x = 0.015 ?0.025 ；
[0009]2)將稱取的原料混合后進(jìn)行球磨、烘干及過(guò)篩處理，將過(guò)篩后的粉料在1200°C下預(yù)燒，保溫3?5h后，冷卻；
[0010]3)將步驟2)預(yù)燒后的粉料過(guò)篩后經(jīng)二次球磨后進(jìn)行烘干，將烘干后的粉末研細(xì)后進(jìn)行造粒，混合均勻過(guò)篩取60?100目之間的粉料；
[0011]4)將步驟3)制得的粉料靜置后，壓制成型，得到坯體，然后將坯體進(jìn)行加熱排膠處理，再將排膠后的坯體在1400°C下燒結(jié)，保溫3?5h，冷卻至室溫，得到線性電致應(yīng)變無(wú)鉛壓電陶瓷材料。
[0012]步驟4)后還包括對(duì)制得的線性電致應(yīng)變無(wú)鉛壓電陶瓷材料進(jìn)行燒電極的步驟，具體操作為:將線性電致應(yīng)變無(wú)鉛壓電陶瓷材料打磨至厚度為0.5?0.8mm，晾干后在其上、下表面涂覆銀漿，以3°C /min的升溫速率由室溫加熱至600°C后，保溫20min，冷卻至室溫。
[0013]步驟2)所述的球磨是將稱取的原料置于球磨罐中，加入異丙醇和氧化鋯球，以300r/min的球磨轉(zhuǎn)速，球磨4?8h，然后將球磨后的混合料在65?90°C下烘干，然后再進(jìn)行研磨，并過(guò)60目篩。
[0014]步驟2)是以3?5°C /min的升溫速率由室溫升溫至1200°C。
[0015]步驟3)是將預(yù)燒后的粉料在研缽中研磨后過(guò)60目篩，裝入球磨罐，加入球磨介質(zhì)異丙醇，以300r/min的球磨轉(zhuǎn)速進(jìn)行二次球磨，然后將二次球磨后的粉料放入烘箱中，在70?90°C下烘干。
[0016]步驟4)將造粒得到的粉料靜置12?24h，再將粉料放入直徑為12mm的不銹鋼模具中，在80MPa的壓力下壓成圓柱狀坯體。
[0017]步驟4)所述的加熱排膠處理是將壓制成型的坯體置于馬弗爐中，以2?4°C /min的升溫速率由室溫升至600°C，保溫I?3小時(shí)，進(jìn)行有機(jī)物排除。
[0018]步驟4)是將排膠后的坯體置于坩禍中，加蓋，然后用同類(lèi)粉料做埋料埋燒后再進(jìn)行燒結(jié)。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0020]本發(fā)明采用固相合成的方法，以鈦酸鋇(BT)為基體，以Zr、Ca為摻雜劑得到了鋯鈦酸鋇鈣(BCZT)，在此基礎(chǔ)上添加一定量的Fe3+，先在1200°C下預(yù)燒，然后在1400 °C下燒結(jié)，通過(guò)嚴(yán)格控制溫度，制得一種居里溫度在室溫附近，具有明顯弛豫特征和具有優(yōu)良的線性電致應(yīng)變響應(yīng)特性的壓電陶瓷材料。本發(fā)明方法選取的成分及工藝步驟簡(jiǎn)單、易于操作、重復(fù)性好、成品率高。
[0021 ] 經(jīng)本發(fā)明方法制得的線性電致應(yīng)變無(wú)鉛壓電陶瓷材料，具有優(yōu)良的線性電致應(yīng)變響應(yīng)特性。在性能上可以媲美傳統(tǒng)的PZT8陶瓷，而其無(wú)鉛的配方也將在下一代壓電器件中獲得更多的應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的BCZT體系樣品的介電常數(shù)隨溫度變化關(guān)系圖；
[0023]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的BCZT摻雜Fe元素樣品(2at.% Fe-doped)的電致應(yīng)變響應(yīng)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0025]本發(fā)明是以Ba(Zra2Tia8)O3-0.5 (Baa7Caa3) T13作為基礎(chǔ)原料組分，在此基礎(chǔ)上外加1.5?2.5at.%的Fe3+。得到本發(fā)明的線性電致應(yīng)變無(wú)鉛壓電陶瓷材料，組成表達(dá)式為 8&0 8辦。15(21'。111。.9)1_!^!￡03，其中，x = 0.015 ?0.025。
[0026]該線性電致應(yīng)變無(wú)鉛壓電陶瓷材料為單一鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，具有弛豫特征以及線性的電致應(yīng)變特征。
[0027]該鈦酸鋇基線性電致應(yīng)變無(wú)鉛壓電陶瓷材料制備方法，步驟如下:
[0028](I)稱料按化學(xué)式Baa85Caai5(ZraiTia9) ^xFexO3中各元素的配比稱取原料BaCO 3、CaCO3' Ti02、ZrO2^ Fe 203;其中，x 為 0.015 ?0.025 ；
[0029](2)球磨將稱取的原料混合后放入球磨罐中，加入球磨溶劑異丙醇和氧化鋯球，球磨6小時(shí)，球磨轉(zhuǎn)速為250轉(zhuǎn)/分，再將混合料放入烘箱內(nèi)80°C烘干，在放入研缽內(nèi)研磨，過(guò)60目篩；
[0030](3)預(yù)燒將步驟(2)中研磨、過(guò)篩后的粉料放入坩禍內(nèi)，加蓋，密封:在馬弗爐中于1250°C進(jìn)行預(yù)燒，保溫4小時(shí)，自然冷卻到室溫，出爐；
[0031](4) 二次球磨在步驟(3)中預(yù)燒的粉料在研缽中研磨過(guò)60目篩，裝入球磨罐，加入球磨介質(zhì)異丙醇，再次二次球磨，轉(zhuǎn)速為250轉(zhuǎn)/分，將粉料放入烘箱80°C烘干；
[0032](5)造粒將步驟⑷烘干的粉料在研缽中研細(xì)，過(guò)篩，加入質(zhì)量百分比為5%?10%的聚乙烯醇，混合均勻，過(guò)篩取60?100目之間的粉料；
[0033](6)成型將步驟(5)中造粒后的粉料靜置24小時(shí)，再將粉料放入直徑為12mm的不銹鋼模具中，在SOMPa壓力下壓成圓柱狀坯件；
[0034](7)排膠步驟(6)中的坯體放入馬弗爐中，溫度以3°C /min的升溫速率從室溫升至600°C，保溫2小時(shí)，進(jìn)行有機(jī)物排除；
[0035](8)燒結(jié)將步驟(7)中排膠后的坯體放入坩禍中，加蓋，用同類(lèi)粉料做埋料埋燒，在1450°C中燒結(jié)，保溫4小時(shí)，隨爐自然冷卻至室溫；
[0036](9)燒電極將步驟(8)中燒好的陶瓷片打磨至厚度為0.6mm，自然晾干，在其上下表面涂覆銀漿，置于爐中以3°C /min的升溫速率從室溫升溫至600°C，保溫20min，自然冷卻至室溫；測(cè)試制品中的介電性能和電致應(yīng)變性能。
[0037]實(shí)施例1
[0038]一種線性電致應(yīng)變無(wú)鉛壓電陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟:
[0039]I)按化學(xué)式Ba。.85Ca0.15 (Zr0.Ji0.9)卜丹凡中各元素的配比，稱取原料BaCO 3、CaCO3、Ti02、ZrO2及 Fe 203;其中，x = 0.02 ；
[0040]2)將稱取的原料混合后進(jìn)行球磨、烘干及過(guò)篩處理，將過(guò)篩后的粉料，以3°C /min的升溫速率由室溫升溫至1200°C，保溫4h后，冷卻；所述的球磨是將稱取的原料置于球磨罐中，加入異丙醇和氧化鋯球，以300r/min的球磨轉(zhuǎn)速，球磨6h ;將球磨后的混合料在80°C下烘干，然后再進(jìn)行研磨，并過(guò)60目篩；
[0041]3)將步驟2)預(yù)燒后的粉料在研缽中研磨后過(guò)60目篩，裝入球磨罐，加入球磨介