[发明专利]低电场下大应变响应无铅压电织构陶瓷材料及制法和应用

说明书

技术领域

本发明属于无铅压电材料领域，尤其涉及一种无铅压电(1-x)[(1-a)BNT-aBKT)]-xBT织构陶瓷材料及该无铅压电织构陶瓷材料织构化的方法。

背景技术

压电材料是一种无机材料，是一种实现机械能和电能相互转换的电子信息材料，在电、磁、力、热等功能器件中有着举足轻重的作用。随着现代社会的快速发展，材料的制备技术、研究方法和测试手段得到了大幅度发展，使得压电材料的性能得到了极大的提高，进一步促进了以压电材料为基础的功能器件在高技术领域的发展和应用价值。目前铅基的压电材料，例如锆钛酸铅(Pb(Ti，Zr)O₃，PZT)，由于其优异的电性能特别是压电性能，成为应用最为广泛的材料，但是铅基的压电材料在制备加工过程中造成环境的严重污染，给人类的身体健康带来灾害。因此基于保护生态环境的需要和人类的健康迫切需求，研究开发环境友好型的无铅压电材料取代铅基材料已经是一项紧迫而有重要现实意义的任务。

目前，在改善无铅压电材料的性能方面已经取得了一定的发展，但是总的来说，现在还没有一种无铅压电材料能完全取代铅基材料，因此还需要做深入的研究和探索，进一步促进无铅压电材料的实用化发展。目前陶瓷的制备方法主要集中在传统的固相反应上面，材料的性能已经达到瓶颈，很难有大的提高，因此，许多学者通过控制材料的结构来改变性能，其中最多的就是压电材料的织构化。钛酸铋钠由于具有丰富的相变过程，导致材料呈现出优越的电致应变，最近几年来受到各国学者的广泛关注，其基本出发点集中在引入具有把相变温度调控到室温的第二元和第三元，以此来提高材料的应变特性。Shan-Tao Zhang在BNT的基础上引入了BT和KNN，构筑了(1-x-y)Bi_0.5Na_0.5TiO₃-xBaTiO₃-yK_0.5Na_0.5NbO₃三元体系，通过组分的优化，电致应变在x＝0.06，y＝0.02处取得最大值0.45％，相应的动态压电系数为560pm/V。([Shan-Tao Zhang，Alain Brice Kounga，and Emil Aulbach.Giant strain in lead-free piezoceramics Bi_0.5Na_0.5TiO₃-BaTiO₃-K_0.5Na_0.5NbO₃System.APPLIED PHYSICS LETTERS91，112906(2007))。然而目前通过传统的固相烧结技术制备的BNT基陶瓷材料存在两个明显的缺点，一方面性能提升幅度不大，基本上都在600pm/V以下，另一方面，大的应变响应需要较高的电场，一般都在60kV/cm以上，这就严重影响了材料的实用化。