[发明专利]一种具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能陶瓷领域，具体涉及一种具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料及其制备方法，是一种新型环境友好的高电致应变压电材料。

背景技术

铁电与压电材料作为电、声、力、热、光敏感材料，可实现电能与机械能间的转换，在驱动器、换能器、传感器等军事、民用领域已获得了广泛的应用。但长期以来，占据统治地位的一直是以PZT为基的多元系含铅陶瓷材料，对人体与外界环境构成巨大危害，研究与发展新型高性能的无铅压电材料体系，进而获得高的机电转换体系已成为世界各发达国家研究的热点之一。

当前研究较多的几类无铅压电材料体系中，包括BaTiO₃、Bi_0.5Na_0.5TiO₃以及K_1-xNa_xNbO₃体系，经过制备二元及多元的固溶体，性能已获得较大提高。但总体来看，目前的无铅体系综合性能与传统PZT基材料相比还有较大的差距，如压电系数一般不超过300pC/N，新的无铅体系存在工作温度范围较窄等问题。如何进一步提升压电及机电耦合性能、拓宽温度使用范围成为能否应用的关键。

在压电驱动器的应用中，往往要求材料在较小电场下能够有较大的应变输出，从而在低激励电压下实现控制与定位。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料及其制备方法，所制得的材料在较小的电场下具有较高的应变响应。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料，其化学组成为：(0.935-x)Bi_0.5Na_0.5TiO₃-0.065BaTiO₃-xSrTiO₃，其中0≤x≤0.30。

x为SrTiO₃取代量，优选0≤x≤0.30，更优选x＝0.22。

上述具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料的制备方法包括以下步骤：

(1)以Bi₂O₃，Na₂CO₃，BaCO₃，TiO₂和SrCO₃为原料，按照(0.935-x)Bi_0.5Na_0.5TiO₃-0.065BaTiO₃-xSrTiO₃中的化学计量比称量原料；

(2)将上述原料在无水乙醇中球磨6-8小时，烘干，在800-900℃下空气中锻烧1-4小时，制得钙钛矿结构粉料；

(3)将所得钙钛矿结构粉料再次在无水乙醇中球磨6-8小时，烘干后压片，于1150-1250℃下保温1-4小时烧结，得致密的陶瓷片。

本发明所制备的具有高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料在4kV/mm的中等电场下可获得高达0.2％的场致应变，等效压电系数可达到490pm/V，适用于位移控制等领域。

在压电驱动器的应用中，往往要求材料在较小电场下能够有较大的应变输出，从而在低激励电压下实现控制与定位。针对压电驱动器等领域的应用，为在较小的电场下获得高的应变响应，本发明通过准同型相界组分的设计，制备了一种高机电响应的无铅体系，与现有的无铅体系相比，本发明能够揭示三元固溶体的准同型相界组分，获得具有高电致应变的体系，在较小电场下能获得较大应变量。

附图说明

图1为实施例1～6制备的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料的XRD图。

图2为实施例1制备的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料的介温频谱，测试频率分别为100Hz，1kHz，10kHz和100kHz，温度从室温至400℃。

图3为实施例5制备的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料的介温频谱，测试频率分别为100Hz，1kHz，10kHz和100kHz，温度从室温至400℃。

图4为实施例6制备的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料的介温频谱，测试频率分别为100Hz，1kHz，10kHz和100kHz，温度从室温至400℃。

图5为实施例1制备的高电致应变的钛酸铋钠基无铅压电材料室温下的电滞回线，测试频率10Hz。