[发明专利]一种大压电各向异性无铅压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及换能器领域应用的无铅压电陶瓷材料，具体是一种ABO₃型钙钛矿结构、钛酸铋钠(BNT)基的大压电各向异性无铅压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

压电换能器广泛应用于超声医疗诊断、工业无损检测、水听器及变压器等诸多领域。随着超声技术领域的快速发展，对压电换能器所用材料的性能提出了更高的要求，要求尽可能高的厚度机电耦合系数k_t与压电各向异性k_t/k_p，使换能器与媒介之间充分耦合而无寄生模式干扰，能量更集中于厚度模式，灵敏度与分辨率高，器件更加小型化。实现高性能压电换能器的关键是开发压电性能优良及高各向异性的压电陶瓷材料，虽然PbTiO₃基陶瓷具有很强的压电各向异性k_t/k_p，但存在以下问题：(1)在冷却过程中发生立方至四方相变，容易产生微裂纹，老化性能差；(2)固有的结构各向异性很大，在制备大尺寸材料和极化过程中存在困难；(3) Pb含量高，会给人类和生态环境带来严重的危害。因此，研究高性能、大压电各向异性无铅压电陶瓷非常重要。目前BNT基无铅陶瓷的优良压电性能、电场诱导巨应变，高储能性能都有报道，但是具有大压电各向异性的BNT基陶瓷还很少见到报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种ABO₃型钙钛矿结构、钛酸铋钠(BNT)基的具有大压电各向异性、环境友好型、稳定性好、压电性能好的新型无铅压电陶瓷及其制备方法。

本发明一种大压电各向异性无铅压电陶瓷材料，配方为：

0.94Bi_1/2Na_1/2Ti_0.85(Cu_1/3Ta_2/3)_0.15O₃-0.06LiBiO₃ ；

通过LiBiO₃的辅助烧结，结合Bi的变价，在A位与B位出现相同元素的不同价态Bi³⁺/ Bi⁵⁺，诱导出现特殊的同素异价A/B位离子有序态(Bi³⁺与Bi⁵⁺分别进入A位与B位)，结合交直流极化工艺，产生特殊的大压电各向异性。

上述大压电各向异性无铅压电陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）以分析纯Bi₂O₃、Na₂CO₃、Ta₂O₅、CuO和TiO₂为原料，按照化学式Bi_1/2Na_1/2Ti_0.85(Cu_1/3Ta_2/3)_0.15O₃进行配料，混合均匀；

（2）将混合均匀的原料装入球磨罐中，以氧化锆为磨球、无水乙醇为介质球磨16小时，分离磨球，烘干；烘干后的粉料压制成大块坯体，在高铝坩埚中于880℃保温2小时合成主晶相；

（3）将合成的主晶相粉碎后与分析纯Bi₂O_3、Li₂CO₃，按照0.94Bi_1/2Na_1/2Ti_0.85 (Cu_1/3Ta_2/3)_0.15O₃-0.06LiBiO₃进行配料，混合均匀；

（4）将步骤（3）混合均匀的原料进行二次球磨，球磨20小时，烘干；烘干后的粉料压制成大块坯体，再在高铝坩埚中于780℃保温2小时合成主晶相；

（5）将步骤（4）合成主晶相粉碎后进行第三次球磨，球磨24小时，烘干，加入原料质量5%PVA溶液造粒；

（6）造粒后在钢模中于150MPa下压制成型；

（7）成型的原料在1050℃保温2小时烧结成瓷，两面镀银电极；