[发明专利]一种低温烧结高压电性能的锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及压电陶瓷，具体是一种低温烧结高压电性能的锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷作为重要的高技术功能材料，其应用已遍及日常生活和生产的各个角落，广泛应用于超声换能，传感器，无损检测和通讯技术等领域。半个多世纪以来，锆钛酸铅固溶体在研究和应用方面一直占据压电陶瓷的主导地位。由于锆钛酸铅固溶体在制备过程中存在PbO的挥发，不仅造成陶瓷中的化学计量比的偏离，使产品的一致性和重复性降低，而且PbO的挥发造成了对环境的污染。

文献“Wenfeng Liu,Xiaobing Ren.Large Piezoelectric Effect in Pb-Free Ceramic [J].Physical Review Letters , 2009,103(25): 2576 02(1-4)”采用传统的固相合成方法制备的高性能的锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷。然而他们的烧结温度高达1500℃ 以上，高于工业上生产的烧结温度要求，严重的制约了其大批量的生产。目前通用解决方案是加入助溶剂来降低烧结温度，增加致密度，降低介电损耗，以得到高性能的无铅压电陶瓷，但效果仍不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种低温烧结高压电性能的锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷及其制备方法。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

在(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.9Ti_0.1)O₃中添加M_αO_β构成的无铅压电陶瓷，可以用通式(1-x)(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.9Ti_0.1)O₃-XM_αO_β其中: 0＜x＜0.01，M_αO_β表示氧化物，α和β分别表示相关氧化物中相应的元素M和氧的原子数。其M为Ce、Sm、Yb、Nd中的一种或其组合元素。

上述锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

(1)将钛酸钡、二氧化钛、二氧化锆、碳酸钙，按化学式 (1-x)(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.9Ti_0.1)O₃-XM_αO_β称量原料；

(2)将步骤(1)配好的原料放入球磨机中混料，球磨5~14 h，转速为200~450转/分钟；

(3)将步骤(2)混合好的料压块，在1150~1250℃温度下预烧1~3 h，取出煅烧的料研碎，再次球磨，球磨时间和转速同步骤(2)，然后粉体过50目筛；

(4)在由步骤(3)得到的粉体中按配比添加入M_αO_β改性添加剂，以无水乙醇为介质，再细磨5-10 h，干燥后加入3-5%的聚乙烯醇粘结剂造粒；

(5)将步骤(4)制得的粒料放入模具中，在压机上以100~300MPa的压力压制出圆片或方片；

(6)将步骤(5)成型的圆片或方片放入烘箱中120℃烘1~6 h成为素片，然后将烘干的素片放入炉中排胶，以30~90℃/h的升温速率升温至500℃，再以90~120℃/h 的升温速率升温至500~800℃，并分别在270℃、360℃、500℃及800℃保温1~4 h，随炉冷却；

(7)将步骤(6)得到的素片放入烧结炉中，以120℃/h的升温速度到600℃保温2h，再以120℃/h的升温速度到1300-1350℃保温2-6h烧结，烧结后，随炉冷却到室温；

 (8)将步骤(7)制得的瓷片浸入25~85℃硅油中极化10~60分钟，极化电场为0.1~6kV/m，静止24 h后测性能。

本发明所得的压电陶瓷经检测：压电常数d₃₃为420-600pC/N,平面机电耦合系数k_p高达0.45-0.51，机械品质因数Q_m为21-133，介电常数ε_r为3895-4843，介电损耗（tanδ）为0.5%-2.0%，已经达到部分商用的铅基压电陶瓷的性能，即具备部分替代铅基压电陶瓷的条件。