[发明专利]一种提高钛酸铋钠基无铅压电陶瓷性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷材料，特别涉及环境友好型钛酸铋钠体系无铅压电陶瓷及其制备工艺，属于功能陶瓷材料技术领域。

背景技术

压电陶瓷是一类重要的信息功能陶瓷材料，但是现在大规模使用的压电陶瓷主要是铅基压电陶瓷。钛酸铋钠(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃(BNT)基压电陶瓷作为无铅压电陶瓷的主要替代候选材料受到极大关注。BNT基压电陶瓷具有铁电性强，压电常数比较高，介电常数相对较低，声学性能好等优良特性，它的烧结温度低而且稳定性较好。目前对BNT基无铅压电陶瓷的研究与开发主要集中在对A、B位置的取代改性上，特别是A位掺杂改性对提高BNT的性能效果明显，如用钾(K)置换部分钠(Na)原子得到性能更好的(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃(BNT)-(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃(BKT)二元体系陶瓷材料，或在BNT-BKT中再加入少量锂(Li)可以使性能进一步提高。据报道，在[Bi_0.5(Na_1-x-yK_xLi_y)_0.5]TiO₃体系中可以获得压电常数d₃₃高达230pC/N的无铅压电陶瓷材料。目前，BNT基无铅压电陶瓷的研究已经有向多元复杂体系发展的趋势，特别是A位的掺杂元素越来越复杂化。比如，四川大学发明钛酸铋钠钡锶钙系无铅压电陶瓷【中国发明专利，专利号ZL200310110880.X】，A位元素达到5种以上，但是其压电系数d₃₃为160pC/N，并没有超过[Bi_0.5(Na_1-x-yK_xLi_y)_0.5]TiO₃体系。研究结果表明，A位元素的掺杂改性是提高BNT基压电陶瓷性能的有效手段，但是A位掺杂元素种类过于繁多会带来制备工艺的复杂化。

对于BNT陶瓷的研究都把注意力集中在Bi以外的元素，而没有对Bi元素含量的影响进行研究。其实，研究表明在BNT陶瓷的晶体结构中，A位的Bi离子为强铁电活性的离子，在钙钛矿结构中可能具有比较大的铁电位移，Bi元素对BNT陶瓷的铁电/压电性能的影响非常大。但是，由于Bi元素的熔点很低，在BNT陶瓷的粉料合成及其陶瓷样品的烧结过程中会有Bi元素挥发，从而影响了材料的电学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过化学组成优化提高钛酸铋钠基无铅压电陶瓷压电性能的方法，即在该陶瓷体系的原料粉末合成过程中加入过量的含Bi元素的氧化物原料粉末，从而获得比BNT具有更加优异性能的BNT基压电陶瓷。

本发明的技术方案如下：

一种铋元素过量补偿的钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料，其特征在于：该材料具有以下化学式：(1-y)(Bi_0.5+xNa_0.5)TiO₃+y(Bi_0.5+xK_0.5)TiO₃，其中：x是用于补偿的Bi元素占未补偿前(1-y)(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃+y(Bi_0.5K_0.5)TiO₃的摩尔百分比，0＜x≤2.0％，y为(Bi_0.5+xK_0.5)TiO₃的摩尔含量，0≤y＜30％。

本发明的优选技术方案是：用于补偿的Bi元素占未补偿前(1-y)(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃+y(Bi_0.5K_0.5)TiO₃的摩尔百分比x＝1.0％；(Bi_0.5+xK_0.5)TiO₃的摩尔含量y＝20％。

本发明还提供了一种如上所述的过量铋元素补偿的钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：