[发明专利]一种锡钛酸钡钙无铅压电陶瓷及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明属于无铅压电材料领域，具体涉及一种锡钛酸钡钙无铅压电陶瓷及其制备工艺。

背景技术

长久以来，以锆钛酸铅(PZT)为代表的铅基压电陶瓷在商业应用上一直占据主导地位，但PZT陶瓷的铅含量高达60%以上，在制备、使用和废弃过程中对生态环境和人类健康造成严重危害，世界各国，如欧盟、美国和日本等先后立法，我国信息产业部也拟定了《电子信息产品污染防治管理办法》，禁止或限制铅在电子工业中的使用。因此，寻找能够代替PZT的无铅压电材料成为电子材料领域的紧迫任务之一。

迄今为止，可被考虑的无铅压电陶瓷体系主要有以下5类: (Bi_0.5Na_0.5)TiO₃ (缩写为BNT)基无铅压电陶瓷；K_1-xNa_xNbO₃ (缩写为KNN)基无铅压电陶瓷；BaTiO₃(缩写为BT)基无铅压电陶瓷；铋层状结构无铅压电陶瓷；钨青铜结构无铅压电陶瓷。然而，无铅压电陶瓷的压电性能相对较差 (压电常数d₃₃≤250pC/N)，一直没有能够真正的替代PZT陶瓷。近年来，研究者通过探索改进制备工艺和在现有体系的基础上掺杂其他元素来提高材料性能。Y. Saito等采用反应模板晶粒生长(RTGG)制备织构KNN基无铅压电陶瓷，压电常数d₃₃最大可达416 pC/N (Y. Saito, H. Takao, T. Tani, T. Nonoyama, K. Takatori, T. Homma, T. Nagaya, and M. Nakamura[J]. Lead-free piezoceramics. Nature 2004, 432: 84–87)。赁敦敏等公布的公开号为CN 101239824A 的发明专利中，(1-z)(K_1-xNa_x)NbO₃-zBa(Ti_1-yZr_y)O₃ 陶瓷的d₃₃值达到234pC/N。根据PZT的研究经验，为了提高无铅压电陶瓷的压电性能，研究主要集中在三方－四方准同型相界上。然而研究表明，不同于PZT的是，BaTiO₃基压电陶瓷的准同型相界实际上是多晶型相变过程中的正交－四方两相共存，或者正交－四方－立方三相共存，即通过改变样品组分或烧结温度将样品的相变温度调节到室温附近，从而得到了室温下较高的压电性能。BaTiO₃基压电陶瓷是ABO₃型钙钛矿铁电体，其A位离子可被Ca，Sr，La，Sm，Dy，Y等元素取代，其B位离子可被Zr，Sn，Nb，Ce等元素取代，从而获得具有高压电性能或介电性能的BaTiO₃基无铅陶瓷。在公开号为CN 101935212A的发明专利中，高峰等研究了(1-x)Ba(Ti_0.8Zr_0.2)O₃-x(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃(BZT-BCT)二元系陶瓷的压电性能，其压电常数d₃₃达385 pC/N。据所查到的相关专利中，均未见锡钛酸钡钙陶瓷的制备和高压电性研究。

发明内容

本发明的目的是为了解决无铅压电陶瓷压电性能较差的问题，提供一种锡钛酸钡钙系陶瓷粉体及制备的陶瓷，以及其制备工艺，所述陶瓷具有较好的压电性能。

本发明的方案是：一种锡钛酸钡钙无铅压电陶瓷粉体，组分为Ba_1-xCa_xTi_0.96Sn_0.04O₃，其中x＝0.01～0.04。优选的，x＝0.01、0.02、0.03或0.04。