[发明专利]一种三元系纳米无铅压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及压电陶瓷材料领域，尤其涉及一种三元系纳米无铅压电陶瓷材料及其制备方法。

【背景技术】

压电陶瓷是一类实现机械能与电能相互转换的重要功能材料，被广泛应用于电子技术、医疗设备、计量检测、通讯、导航和传感技术等领域。传统使用的压电陶瓷多为锆钛酸铅(PZT)或以PZT为基的材料，虽然具有很好的介电、压电性能，但这种PZT陶瓷材料的氧化铅含量高达60％以上，而氧化铅是一种有毒物质，高温下易挥发，在铅基压电陶瓷的制备、使用和废弃后处理过程中都会造成环境污染，也会直接危害到人类健康。因而，寻找性能优良且环境友好型的压电陶瓷是电子材料领域紧迫的课题之一。

目前常见的无铅压电陶瓷体系主要有：钛酸钡基、含铋层状结构、钨青铜结构、碱金属铌酸盐系无铅压电陶瓷。这些无机压电陶瓷因为组成和结构不同，其性能也各具特色：钛酸钡基陶瓷材料压电性能中等，但居里温度偏低；含铋层状结构和钨青铜结构陶瓷材料的居里温度高但压电活性低；碱金属铌酸盐系陶瓷则存在难以烧结致密的问题。

尽管传统固相合成工艺对提高压电陶瓷压电性能具有一定成效，但仍存在以下三大不足：

一、由该法制备的陶瓷粉体粒径大、粒度分布宽、组分不均匀，从而导致产物粉体压电活性不高。

二、研磨过程容易引进杂质，制备的陶瓷粉体纯度低。

三、传统法制备的陶瓷粉体所需的烧结温度较高，不易烧结，而且烧结后陶瓷粉体的致密度不是很好。

【发明内容】

本发明的目的在于克服传统技术的缺点与不足，提供了一种三元系纳米无铅压电陶瓷材料及其制备方法，通过调整原料配方与制备工艺，获得粒径小、组分均匀、纯度高且压电性能好的三元系陶瓷粉体。

本发明的一种三元系纳米无铅压电陶瓷材料，其特征在于：该陶瓷材料的化学通式为(1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xNa0.5Bi0.5NbO3+y M，其中，M为金属元素，x和y表示质量含量，0＜x＜1，0.0005＜y＜0.01。

本发明所选择的两个基础陶瓷体系Bi_0.5Na_0.5TiO₃-Bi_0.5Na_0.5NbO₃可形成固溶体，且存在一个三角-四方准同型相界(MPB)，组成处于MPB的复相压电陶瓷，具有异常优秀的压电介电性能；同时通过引入固溶组分Bi_0.5Na_0.5NbO₃后，降低了Bi_0.5Na_0.5TiO₃过高的矫顽场和极化值，避免了因Bi_0.5Na_0.5TiO₃铁电相较高导致材料极化困难，获得了压电性能优异的复相陶瓷体系。

通过元素M取代会导致压电陶瓷钙钛矿结构发生畸变，这种畸变使得取代元素在一定的组成范围内，导致陶瓷的相转变温度明显降低，在较低温度下就能获得一个类似于MPB的多相共存结构；这种多相共存导致陶瓷在极化时可极化的方向增多，极化活性增强，能有效改善Bi_0.5Na_0.5TiO₃-Bi_0.5Na_0.5NbO₃压电陶瓷压电性能，使得最终压电性能提高。

优选的，所述M为Li、Mn、Ag、Zr、Sr、Sb和La中的一种或其组合。

优选的，所述M为Li或Mn中的一种或其组合时，0.004＜y＜0.006。

另外本发明还提供一种采用溶胶-凝胶法制备所述三元系纳米无铅压电陶瓷材料的方法，该方法包括以下步骤：

(1)按设定比例称取钛酸四丁酯(Ti(OC₄H₉)₄)、硝酸铋(Bi(NO₃)₃·5H₂O)、五氧化二铌(Nb₂O₅)、至少一种M的化合物、醋酸钠(CH₃COONa·3H₂O)和乙二醇乙醚；

(2)将硝酸铋、醋酸钠和至少一种M的化合物溶于适量的冰醋酸，再加入钛酸四丁酯和少量乙二醇乙醚，在60℃下搅拌至溶液形成均匀透明溶胶；

(3)将五氧化二铌粉体缓慢加入到上述溶胶中，在60℃下继续搅拌形成均匀分散的胶状混合液；