[发明专利]一种镍颗粒分散锆钛酸钡钙压电复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明提供一种金属颗粒分散压电陶瓷复合材料的制备方法，主要涉及压电复合材料技术领域。具体涉及氧化物掺杂改性的碳酸钡(BaTiO₃)基无铅压电陶瓷与金属镍复合的压电复合材料及其制备方法。

背景技术

压电复合材料是指压电相材料和非压电相材料按照一定的连通方式构成的一种具有压电效应的复合材料。由于压电复合材料具有优良的综合性能和可设计性，引起各国学者的极大兴趣并在实际生产中获得应用。压电陶瓷的工作原理依赖于机电耦合效应，在变形过程中需要承受较大的应力变形，然而压电陶瓷的机械性能普遍较差。研究表明，以非压电金属颗粒作为第二相弥散分布在压电陶瓷基体中可大幅度提高力学性能。有关报道将金属铂(Pt)或银(Ag)分散在锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷中制备压电复合材料(J.-F.Li，et al.，Appl.Phys.Lett.，2001，79，2441～2443；H.L.Zhang，et al.，J.Am.Ceram.Soc.，2006，89，1300～1307)，发现非压电的金属第二相的加入可以合理调控所形成复合材料的压电性能并形成梯度变化，而且金属颗粒的弥散分布大幅度提高了复合材料的力学性能。目前这种金属颗粒分散压电陶瓷复合材料已成功应用于功能梯度结构的压电陶瓷驱动器(张海龙等，一种功能梯度结构的压电驱动器件及其制备方法，专利授权号ZL200610114005.2)。然而，由于Pt或Ag昂贵的价格使得PZT/Pt或PZT/Ag压电复合材料难以在一般性场合推广使用。当压电陶瓷与Cu、Ni等普通金属进行复合烧结时则存在如下问题：若在空气中烧结，普通金属会被氧化为金属氧化物而难以有效增韧压电陶瓷；若为避免普通金属的氧化而在还原气氛中烧结，PZT等钙钛矿结构的压电陶瓷将会脱氧形成氧空位或产生焦绿石相而大幅降低压电性能，因此陶瓷/金属压电复合材料的烧结制备面临尚待解决的难题。此外，PZT等含铅材料的使用对环境造成危害。

近年来，无铅压电陶瓷BaTiO₃体系所报道的压电常数逐年攀高，邵守福等人(S.F.Shao，et al.，J.Phys.D：Appl.Phys.，2008，41，125408)采用传统的固相反应法制备的BaTiO₃陶瓷压电常数d₃₃高达419pC/N，相对密度也大于96％，这使得钛酸钡基无铅压电陶瓷逐步替代PZT等含铅材料成为可能。但传统的BaTiO₃陶瓷在高温及中性或还原性气氛下，由于Ti⁴⁺变价会被还原从而半导体化，导致电子电导急剧增加，损耗也异常增大。因此，BaTiO₃陶瓷尚不能直接与贱金属在还原气氛中烧结复合。研究表明，在BaTiO₃系中加入适量的ZrO₂和CaCO₃可显著提高陶瓷的抗还原性(姜琳等，天津大学学报，2000，33，631～633)；当Zr⁴⁺的掺杂摩尔分数为12％时，BaTiO₃陶瓷的抗还原性能最佳(易可等，压电与声光，2003，25，396～399)。镍是一种广泛用作电子元器件的电极材料的高熔点金属，它作为内电极与掺杂改性BaTiO₃陶瓷复合制作多层陶瓷电容器(MLCC)已是一种比较成熟的技术。然而，关于镍颗粒作为分散相与掺杂改性BaTiO₃陶瓷复合制备压电复合材料，用于压电驱动器的研究尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镍颗粒分散锆钛酸钡钙压电复合材料的制备方法，利用普通金属镍取代铂、银等贵金属，降低生产成本。

一种镍颗粒分散锆钛酸钡钙压电复合材料的制备方法，制备步骤如下：

(1)采用碳酸钡、二氧化钛、碳酸钙和氧化锆作为初始原料，按原子比进行配料，化学式为(Ba_1-xCa_x)(Ti_1-yZr_y)O₃(0.01≤x≤0.08；0.05≤y≤0.15)，经球磨混合、焙烧，获得(Ba，Ca)(Ti，Zr)O₃(锆钛酸钡钙)陶瓷粉末；

(2)将锆钛酸钡钙粉末与纯金属镍粉按比例混合，并在混合粉末中加入聚乙烯醇的水溶液作为粘结剂在研钵中至少研磨30min，锆钛酸钡钙粉末与纯金属镍粉混合比例为：99～80∶1～20vol％，聚乙烯醇的水溶液中聚乙烯醇含量为1～5wt％；