[发明专利]一种低温烧结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

本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷作为一种重要的功能材料，广泛应用于超声换能、传感器、无声检测和通讯技术等领域。传统的压电陶瓷材料中应用最广泛的是锆钛酸铅Pb(Zr，Ti)O₃（简写为PZT）基压电陶瓷，而PZT基压电陶瓷中铅含量达到60%以上，在生产，使用及废弃过程中对环境造成污染。随着各国对环境保护的愈加重视，研究无铅压电陶瓷替代传统铅基压电陶瓷成为大势所趋。

无铅压电陶瓷的直接含义是不含铅的压电陶瓷，其更深层含义是指既具有满意的使用性又具有良好的环境协调性的压电陶瓷。它要求材料体系本身不含有可能对生态环境造成损害的物质，在制备、使用及废弃后处理过程中也不产生可能对环境有害的物质，且材料的制备工艺具有耗能低等环境协调性特征。迄今为止，无铅压电陶瓷体系主要有以下几种：BaTiO₃基无铅压电陶瓷；Bi_1/2Na_1/2TiO₃（BNT）基无铅压电陶瓷；K_1/2Na_1/2NbO₃（KNN）基无铅压电陶瓷；铋层状结构无铅压电陶瓷；钨青铜系压电陶瓷。然而无论上述哪种无铅压电陶瓷，性能尤其是压电性能与PZT基压电陶瓷相比都有较大差距，阻碍了其实际应用。

文献“Wenfeng Liu,Xiaobing Ren.Large Piezoelelctric Effect in Pb-free Ceramic [J].Physical Review Letters,2009,103(25):257602(1-4)”采用传统固相合成法制备了高性能的锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷。然而其烧结温度高达1500°C，高于工业生产的烧结温度要求，制约了其大规模生产。氧化铜是一种常用的陶瓷助烧剂，可以有效的降低陶瓷烧结温度，增加致密度，降低介电损耗。

发明内容

本发明的目的，是克服现有技术烧结温度过高的缺点，提供一种采用传统的固相合成方法，以锆钛酸钡钙（BZT-BCT）为基体，掺杂氧化铜的一种综合性能更好，烧结温度更低的无铅压电陶瓷。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种低温烧结的锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷，其原料组分及摩尔百分比为(1-x)(Ba_0.865Ca_0.135)(Ti_0.89Zr_0.11)O₃-xCuO，其中0<x<0.1。

上述一种锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷的制备方法，具有如下步骤：

（1）配料

将原料钛酸钡、钛酸钙、二氧化钛、二氧化锆按化学式(1-x)(Ba_0.865Ca_0.135)(Ti_0.89Zr_0.11)O₃-xCuO配料；

（2）球磨

将步骤（1）称量好的原料放入球磨罐中，球磨介质为无水乙醇和氧化锆球，原料、无水乙醇和氧化锆球的质量比为1：2：2，球磨6h，再将球磨后的混合料置于烘箱内于90°C烘干；再移至研钵内研磨，过60目筛；

（3）预烧

将步骤（2）过筛后的粉料置于坩埚内，加盖，以5°C/min的速率升温至1200°C，保温3-4h，再以5°C/min的速率降温至800°C，然后自然降温至室温；

（4）二次球磨

在步骤（3）预烧后的粉料中按配比加入CuO，以无水乙醇和氧化锆球为介质，球磨6h；再将混合料置于烘箱内于90°C烘干；

（5）造粒

将步骤（4）烘干的粉料研磨过筛，加入质量百分比为5%的PVB乙醇溶液，充分研磨，过筛；

（6）成型

将步骤（5）过筛后的粉料放入不锈钢模具内，在100～150Mpa压力下压制成型为坯体；

（7）烧结

将步骤（6）的坯体放入烧结炉中，用坩埚盖住，以5°C/min速率升温至600°C，保温2h，继续以5°C/min速率升温至1350~1450°C，保温2h，再以5°C/min速率降温至800°C，随炉自然冷却至室温，制得锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷；

（8）烧电极