[发明专利]Ga改性(Bi0.8Gd0.2)FeO3-PbTiO3压电陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种特种功能陶瓷材料及其制备方法，特别是涉及一种压电陶瓷及其制备方法，应用于电子电器设备应用的压电器件技术领域。

背景技术

近年来，随着当今电子信息技术的飞速发展，许多电子电器设备对所选用的压电器件性能参数提出了更高的要求，如小型化、功能化、低成本、大功率特性和高频稳定性等。这就必然要求材料具有更新、更快、性能更好等多方面的优点。目前，商业化压电陶瓷多集中在PZT基压电陶瓷体系。但是，PZT基压电陶瓷主要成分是氧化铅PbO,而铅是一种有毒的重金属元素，因此在其制备、使用及废弃后处理过程中都会给环境和人类的健康带来很大的损害。同时，PZT系列陶瓷的居里温度在350 ^oC左右，而且由于热激活老化过程，其安全使用温度被限制在居里温度的1/2 处，因此，PZT陶瓷在应用受到限制。开发性能稳定，含铅量低的新型压电材料成为研究的热点。

BiFeO₃-PbTiO₃(BF-PT)是由三方结构的BiFeO₃和四方结构的PbTiO₃构成的固溶体系，为钙钛矿结构，具有和PZT类似的准同型相界。同时，铅含量仅为20 %与传统的PZT体系60%的铅含量相比大幅度的降低了铅的含量。铋系材料具有良好的机械韧性，有利于材料在器件上的应用。此外，BF-PT固溶体系在MPB处还具有18%的自发应变，预示着该体系存在优越的压电性能，使BF-PT基材料在压电领域具有广阔的应用前景。然而，由于BF-PT体系材料的高电导，使其电滞回线的测量变得非常困难。另外，由于其矫顽场强很大，约为100 kV/cm，使其极化过程变得极其困难。因此，限制了BF-PT体系作为压电材料在实际中的应用。为了增强BF-PT体系的绝缘性、降低其矫顽场强，进而获得性能优异的压电材料，人们采用多种方法对其进行改性，例如掺杂改性、工艺改进以及与其他材料形成三元固溶体等等。已有研究表明，通过元素掺杂能够改善BF-PT材料的固有缺陷，提高其压电性能。如引入La、Sc、Gd等取代A位的Bi元素。引入Gd元素改性可以增加BF-PT的压电性能和极化能力。但是Gd改性后的BGF-PT体系准同型相界对组分的变化很敏感，这会对性能有很大的影响，不利于工艺的控制和材料的应用。同时，发现Gd改性后的BF-PT材料的击穿电压仍然较低，绝缘性还不能很好地满足许多电子电器设备所选用的压电器件的要求。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种Ga改性(Bi_0.8Gd_0.2)FeO₃-PbTiO₃压电陶瓷及其制备方法，基于拓宽准同型相界、提高绝缘性、介电击穿电压和压电常数等要求，采用Ga元素对BGF-PT系压电陶瓷材料进行改性，将Ga元素引入到BGF-PT体系中来，制备出了铅含量低、准同型相界范围大、绝缘性好、压电常数高性能优越的BGGF-PT压电陶瓷，本发明制备的BGGF-PT压电陶瓷大范围地增加了准同型相界的宽度，将电阻率增加到10¹² Ω.cm，并提高了BGGF-PT压电陶瓷绝缘性和介电击穿电压。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种Ga改性(Bi_0.8Gd_0.2)FeO₃-PbTiO₃压电陶瓷，其化学式为：(Bi_0.8Gd_0.2)（Fe_1-xGa_x）O₃-PbTiO₃，其中x<0.1，即在(Bi_0.8Gd_0.2)FeO₃-PbTiO₃体系中引入Ga元素，形成BGGF-PT压电陶瓷固溶体系；优选GGF-PT压电陶瓷材料的化学式中的x≤0.08；进一步优选x的取值范围为0.03～0.08；再进一步优选x的取值范围为0.05～0.08；最好优选x取值为0.05，即BGGF-PT压电陶瓷的化学式为(Bi_0.8Gd_0.2)（Fe_0.95Ga_0.05）O₃-PbTiO₃。