[发明专利]一种掺杂Ca2+的铋层状压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种掺杂Ca²⁺的铋层状压电陶瓷材料及其制备方法，属于压电陶瓷制备技术领域。

背景技术

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能相互转换的具有压电效应的功能材料。以Pb(Zr，Ti)O₃为代表的铅基压电陶瓷因其性能优异，在电子和微电子等领域已获得了广泛的应用，但铅基压电陶瓷在制备、使用及废弃后处理的过程中对环境及人类造成严重危害。因此，随着环境保护和人类社会可持续发展的需求，开发环境友好的无铅压电陶瓷已成为一项紧迫的战略性研究课题。

近年来，各国主要从事对钛酸钡、钛酸铋钠(BNT)、铋层状结构以及铌酸盐四大类无铅体系的研究和开发工作，同时也取得了一定的成绩，但是总体上讲，无铅压电陶瓷的性能与铅基压电陶瓷相比还存在较大的差距。

其中，铋层状无铅压电陶瓷是无铅压电材料的重要分支之一，其具有低介电常数、高居里温度、压电性各向异性明显、高绝缘强度、高电阻率、低老化率等特点，适合于高温高频场合使用，但这类材料的压电活性低，极化场强高。本材料是建立在MBi₂N₂O₉(M＝Sr，N＝Ta、Nb)基无铅压电陶瓷体系，采用掺杂改性以及工艺改进等方法提高其压电活性，降低其极化场强，弥补其体系的一些不足，改良其压电、介电性能，使其具有更大的应用范围和更好的应用前景。

有项目曾经研究SrBi₂Nb_1-xTa_xO₉材料体系的铁电性能和压电性能，结果表明：该材料体系具有低ε_r、高Q_m和低K_p，同时Ta与Nb复合还增大了材料的C值。在此基础上，由于Ca²⁺与Sr²⁺离子半径相近，因此可在Sr位掺杂一定量的Ca²⁺能是晶粒内部出现位错运动和晶界的滑移，从而有利于极化，并有可能提高其介电、压电性能。迄今为止，还未见掺杂Ca²⁺对SrBi₂TaNbO₉压电陶瓷材料性能和结构影响的报道。

发明内容

本发明的目的在于利用碱土金属元素Ca对SrBi₂TaNbO₉中的Sr离子进行取代改性，降低其极化强度，提高其压电性能，制备出一种新型的、环境友好型的铋层状压电陶瓷材料。

本发明材料的组成式为Ca_xSr_1-xBi₂NbTaO₉，其中0＜x＜1。

本发明材料的制备方法如下：

(1)按上述化学配比是进行配料，原料选用碳酸钙(CaCO₃)、碳酸锶(SrCO₃)、氧化铋(Bi₂O₃)、五氧化二钽(Ta₂O₅)和五氧化二铌(Nb₂O₅)，其最终结构为Ca_xSr_1-xBi₂NbTaO₉固溶体结构。

(2)按照上述的化学式配比称取适量的CaCO₃、SrCO₃、Bi₂O₃、Ta₂O₅、Nb₂O₅等原料，用酒精作为球磨介质，利用行星球磨机球磨混料0.1～24小时后，出料烘干，将混合原料进行研磨，将所得粉料在0.1～60MPa的压力条件下干压成片，然后在800～1300℃下保温敞开烧结0.1～4小时成瓷，升温速率为1～10℃/min。

压电性能的测量：烧成好的陶瓷圆片双面平行抛光至0.5mm厚，用超声清洗干净后，双面涂银电极，在硅油中加电压进行极化。最后在室温下进行样品性能的测试。

本发明的效果在于通过Ca对SrBi₂TaNbO₉中的Sr离子的部分取代改性，获得一种相对低介电常数ε，低机电耦合系数K_p，高机械品质因数Q_m，高压电常数d₃₃的性能较优的新型无铅压电陶瓷材料。

具体实施步骤