[发明专利]一种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，尤其涉及一种压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷是一类重要的功能陶瓷，主要应用于实现机械能与电能的耦合与转换，与压电晶体相比，具有容易制成形状复杂、成本低、易批量生产、机电耦合系数大、压电性和可调节性好，以及优越的光、电、热、磁、力学性能和化学稳定性等优点，已广泛应用在机械、电子、通讯、精密控制、国防军工等众多领域，在国民经济、现代科学技术、现代国防中举足轻重。现在广泛应用的压电陶瓷材料主要是Pb(Ti,Zr)O₃(简称PZT)体系铅基压电陶瓷。铅基压电陶瓷中PbO(或Pb₃O₄)的含量约占原料总量的70％，这类陶瓷在生产、使用及废弃后处理过程中，都会给人类和生态环境造成伤害。再加上由于全球铅资源存量有限，据国际权威部门估算，预计在二、三十年内全球的铅将消耗殆尽。因此，研究和开发高性能的压电陶瓷是一项具有重要意义的课题。

目前研究的无铅压电陶瓷主要包括：铋层状结构压电陶瓷、钛酸钡(BT)基压电陶瓷、钛酸铋钠(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃(BNT)基压电陶瓷和铌酸盐系压电陶瓷。目前压电陶瓷的制备方法包括：溶胶--凝胶(sol-gel)法、水热法、共沉淀法、熔盐法、柠檬酸法、固相烧结法。

现有的无铅压电陶瓷材料存在结晶性较差、致密度较低、介电和压电性能较差、生产工艺复杂、生产成本较高等缺点，因此，研发一种压电陶瓷材料，使其结晶性好、致密度高、介电和压电性能优良、生产工艺简单、生产成本较低，显得格外重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术中的不足，本发明提供了一种结晶性好、致密度高、介电和压电性能优良、生产工艺简单、生产成本较低压电陶瓷材料及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压电陶瓷材料及其制备方法，所述压电陶瓷的化学通式为Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂，其中x表示摩尔分数，且0.00≤x≤0.40。

具体地，所述压电陶瓷由如下组分组成：Bi₂O₃：9.805～9.833g，TiO₂：2.800～3.240g，Dy₂O₃：2.097～2.103g，Fe₂O₃：0.000～0.426g。

进一步地，采用固相法制备所述压电陶瓷，在铋层状陶瓷Bi₄Ti₃O₁₂中加入定量的Dy和不同含量的Fe，具体包括以下步骤：

S1、称量、混料：采用Bi₂O₃、TiO₂、Dy₂O₃和Fe₂O₃为原材料，按照化学通式Bi_3.15Dy_0.85(Ti_3-xFe_x)O₁₂配料、称重、混合；

S2、预烧：将称重好的物料放入玛瑙研钵中进行混合并研磨，采用高浓度的无水乙醇作为球磨介质，研磨好后的物料过2次100目的筛；然后将物料放入坩埚中压实，进行预烧；

S3、造粒、压片、排胶：将步骤S2中预烧后的物料放入研钵中研磨，研磨过程中加入聚乙烯醇(PVA)粘结剂，直至研成细块状粉粒，烘干、压片、排胶。

S4、烧结：将步骤S3中已排胶的样品在马弗炉中进行烧结。

S5、打磨、涂银：将步骤S4中烧结好的样品进行表面打磨、涂银、烧银，得到成品。

S6、极化：将步骤S5中的成品在40～80℃硅油中极化。

优选地，所述步骤S2中的预烧温度为850℃，保温时间为2h。

进一步地，所述步骤S3中加入的聚乙烯醇(PVA)粘结剂，具体为1wt％～6wt％的PVA水溶液。

优选地，所述步骤S3中压片过程的压力为6MPa，保压时间为30s，模具内直径为13mm。

具体地，其特征在于，所述所述步骤S3中的排胶温度为550℃，保温时间为2h。