[发明专利]钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的低温烧结制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钛酸铋钠基（BNT）无铅压电陶瓷材料领域，特别是涉及一种采用锶铁钴氧（SrFe_0.5Co_0.5O_y）作为烧结助剂低温烧结高性能BNT基无铅压电陶瓷的方法，还涉及包含该复合物的压电陶瓷器件。

背景技术

目前，以锆钛酸铅(PZT)为代表的铅基压电陶瓷在商业应用上仍然占据主导地位，但PZT陶瓷的铅含量高达60%以上，在生产、使用及废弃处理过程中都会造成生态环境的污染，危害人类健康（G.F.Fan, W.Z. Lu, X.H. Wang, and F. Liang, Morphotropic phase boundary and piezoelectric properties of Bi_1/2Na_1/2TiO₃-  Bi_1/2K_1/2TiO₃-KNbO₃ lead-free piezoelectric ceramics. [J]. Appl. Phys. Lett. 2007, 91: 202908.）。因此，随着人类社会可持续发展的要求以及一些发达国家有关电子产品无铅化法规的全面实施，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。目前，铋层状结构钛酸盐、钙钛矿结构钛酸盐、铌酸盐等材料因具有相对较好的压电性能成为人们研究的焦点。其中，钙钛矿结构钛酸盐中的(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃(BNT)基无铅压电陶瓷，由于其居里温度高（T_c = 320℃）、室温下强铁电性（P_r=38 mC/cm²），被认为是一种很有前途取代PZT的压电材料（B.J. Chu, D.R. Chen, G.R. Li, Q.R. Yin, Electrical properties of Na_1/2Bi_1/2TiO₃-BaTiO₃ ceramics, [J]. J. Eur. Ceram. S℃. 2002, 22: 2115–2121.）。BNT陶瓷矫顽场大（73kV/cm）, 极化过程中陶瓷样品容易被击穿，所以要使陶瓷样品充分极化，就要求制备的BNT陶瓷样品烧结的非常致密，采用传统固相合成法制备BNT陶瓷的烧结温度一般在1160 ℃-1200 ℃，而在1000℃以上，Na₂O就会挥发造成陶瓷成分偏析，影响陶瓷性能 (D. Lin, Structure, ferroelectric, and piezoelectric properties of (Bi_0.5Na_0.5)_1-x-y-z(Bi_0.5K_0.5)_xBa_ySr_zTiO₃ lead-free ceramics. [J]. J. Am. Ceram. S℃. 2010, 93 [3]: 806–813；Y.J. Dai, S.J. Zhang, T.R. Shront, X.W. Zhang, Piezoelectric and ferroelectric properties of Li-doped (Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-(Bi_0.5K_0.5)TiO₃–BaTiO₃ lead-free piezoelectric ceramics. [J]. J. Am. Ceram. S℃. 2010, 93 [4]: 1108–1113； H. Y. Park, C. W. Ahn, H. C. Song, J. H. Lee, S. Nahm, K.Uchino, H. G.Lee, and H . J. L ee, ‘‘Microstructure and Piezoelectric Properties of 0.95(Na_0. 5K_0.5)N bO₃–0.05BaTiO₃ Ceramics,’’ Appl. Phys. Lett., 2006, 89:062906-1–3。) Herabut等在1050 ℃烧结得到的BNT陶瓷压电常数d₃₃仅为58 pC/N，为了在较低烧结温度下得到性能优异的BNT无铅压电陶瓷，就必须采用一种有效的低温烧结方法。为了降低压电陶瓷的烧结温度，材料工作者进行了大量的研究，也取得了一些成果。目前，低温烧结温度主要有以下三种途径：第一种就是通过添加烧结助剂来降低烧结温度；第二种是利用化学制粉法合成高表面能的陶瓷粉体，粉体的表面能大，烧结的驱动力就大，从而使烧结温度降低；第三种就是通过采用先进的烧结工艺，例如热压法烧结、微波加热烧结等。