[发明专利]一种具有压电增强结构的含铋压电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及压电功能材料领域，特别是涉及一种可以增强组分中含有铋元素的压电材料表观压电性能的结构和制备工艺。

背景技术

压电材料可以实现机械能和电能之间的相互转换，可广泛地应用于传感器、换能器、驱动器以及机械能量回收等器件，在国防和民用领域有着十分重要的应用。

压电效应可表述为正压电效应和逆压电效应，其表达式分别为：

P＝dX (正压电效应)

x＝dE (逆压电效应)

式中，P为材料在应力X下的极化响应；x为电场E作用下的应变响应，d为材料的压电系数。

由于具有良好的压电性能，目前广泛应用的压电材料主要为以钙钛矿相的Pb(Zr,Ti)O₃(PZT)为基的陶瓷材料；基于PZT，可以通过对A位或者B位阳离子进行掺杂或取代，或者与其它组分进行固溶，获得压电性能可调的陶瓷材料。然而，虽然铅基材料具有优异的压电性能，但是材料中含有大量的铅，对人类健康和环境具有潜在的威胁。因此研发可替代现有的铅基材料的无铅压电材料成为近十几年压电陶瓷研究领域的一个热点。然而，目前获得的无铅压电材料的性能仍然难于与铅基材料媲美，而且通过调整材料的化学成分的方法来提高无铅压电材料的性能遇到了瓶颈。因而，是否可以通过其他一些方法来提高现有的无铅压电材料压电性能是一个值得研究的课题。

在目前研究的无铅压电材料中，有一类材料的特征是组分中含有铋元素，比如具有钙钛矿结构的Na_1/2Bi_1/2TiO₃、K_1/2Bi_1/2TiO₃、BiFeO₃等材料和一些具有铋层状类钙钛矿结构的材料，以及这些材料与其它材料形成的固溶体。研究结果表明，铋元素以化合物和单质的形式出现对人体基本是无害的，因而含铋的无铅压电材料是一类环保的材料。然而这类材料的缺点是材料的压电性能比较低，比如其d₃₃一般在200pC/N以下，远低于铅基的压电材料。

发明内容

本发明的目的是解决无铅的含铋压电材料压电性能比较低的问题，提出一种针对含铋压电材料的还原工艺，使得材料产生拱形或弯曲结构，从而能够大幅度提高含铋压电材料的表观压电性能。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明公开了可以增强压电材料表观压电性能的压电增强结构，其特点在于：所述压电增强结构是对有两个相对表面的压电单晶材料或压电陶瓷材料的一面进行化学还原，从而形成的由于预应力产生的向还原表面拱起或弯曲的结构。

本发明还公开了具有压电增强结构的含铋压电材料，其特点在于：所述具有压电增强结构的含铋压电材料是指通过将含铋压电材料进行单面还原，含铋压电材料被还原一面的铋元素还原成金属铋，使得含铋压电材料中产生预应力，含铋压电材料由未还原一面向还原一面弯曲，从而形成的弯曲结构或拱形结构的含铋压电材料。

所述含铋压电材料呈方片状、圆片状、长条状或具有两个表面的无规则形状。

在具有压电增强结构的含铋压电材料的两面形成有导电金属电极，且形成金属电极后的含铋压电材料通过施加电场进行了极化，使形成金属电极后的含铋压电材料具有压电性能。

本发明还公开了上述具有压电增强结构的含铋压电材料的制备方法，其特点在于：将含铋压电材料的一面与还原剂接触，并在不低于500℃的条件下热处理，使得所述含铋压电材料单面还原，取出并在空气中自然冷却至室温，使得含铋压电材料由未还原一面向还原一面弯曲，从而形成弯曲结构或拱形结构，即得具有压电增强结构的含铋压电材料。

所述还原剂为石墨、氢气、一氧化碳、氮气或惰性气体。

典型的，所述具有压电增强结构的含铋压电材料按如下步骤进行制备：将表面经过磨平处理的石墨块放置在氧化铝基板上，然后将表面经磨平处理的含铋压电材料放置于所述石墨块上，再在所述含铋压电材料上压覆氧化铝盖板或氧化锆盖板，使得所述含铋压电材料的一面与所述石墨块紧密接触，获得叠合体系；将所述叠合体系在600-900℃的温度下热处理5分钟-24小时，取出后自然冷却至室温，使得含铋压电材料由未还原一面向还原一面弯曲，形成弯曲结构或拱形结构，即得具有压电增强结构含铋压电材料。