[发明专利]一种铁酸铋基电致应变陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种铁酸铋基电致应变陶瓷及其制备方法和应用，陶瓷的组分为(0.67‑x)Bi_1.02FeO₃‑0.33BaTiO₃‑x(Ba_0.8Ca_0.2)ZrO₃，其中x＝0～0.06，采用固相烧结法制备，包括将原料按配方进行混料、一次球磨和800～900℃煅烧后得到预合成前驱体粉体。经过二次球磨、烘干造粒后压制成型得到陶瓷生坯，排胶后经950‑1100℃高温烧结得到致密的高性能铁酸铋基陶瓷样品。与传统的铅基电致应变材料相比，本发明最显著的优点为环境友好型材料，且具有高动态压电系数、低应变滞回和优异的高温稳定性，可广泛用于制造驱动器和高精度位移传感器。

技术领域

本发明涉及驱动器陶瓷材料领域，尤其是涉及一种铁酸铋基电致应变陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

电致应变是压电材料逆压电效应的直接体现，主要应用于驱动器和位移传感器，其中动态压电系数(d₃₃^*)是评价驱动器材料的主要指标。传统的铅基锆钛酸铅(PZT)陶瓷因其高压电性能、高应变与优异的温度稳定性而被广泛使用，然而PZT及其改性陶瓷中含有大量有毒的氧化铅，不仅会对环境也会对人体造成巨大损伤，因而必须探索高性能的无铅陶瓷体系以替代铅基材料。近年来，铋基无铅钙钛矿材料受到广泛研究，其中以钛酸铋钠(Bi_0.5Na_0.5TiO₃，BNT)为代表的一系列无铅体系具有高的电致应变和无滞后电致伸缩性能，该性能的实现主要是通过掺入其他元素或ABO₃钙钛矿复合材料，将铁电-弛豫相转变温度降至室温以下。然而，BNT基陶瓷虽然具有0.3～0.5％的高应变输出，其应变滞回也高达60～70％，这种大的滞后会大幅降低驱动器或位移器的探测精度，不利于实际应用。同时，BNT基材料的温度稳定性较低，在升温至100℃后，其性能仅为室温下的～50％。因此，有必要开发新型的高性能、低滞回无铅电致应变陶瓷以替代铅基材料。

铁酸铋(BiFeO₃)基无铅钙钛矿材料具有超高的居里温度(T_c～830℃)和铁电极化强度(P_r～100μC/cm²)，其在高温压电和新型铁电器件领域具有广泛应用前景。然而纯的铁酸铋陶瓷在高温烧结时易形成二次相，且烧结温区过窄而难以制备。通过快速淬火工艺可以在一定程度上降低铁酸铋陶瓷的漏导，然而该工艺容易造成大的内应力而使陶瓷开裂，不利于实际应用。一系列研究表明，将铁酸铋与其他ABO₃钙钛矿材料进行复合可有效降低体系的漏电流，其中BiFeO₃-BaTiO₃体系具有相对较高的剩余极化和居里温度，在x＝0.33时呈现出准同型相界，然而其电致应变性能较低(0.1～0.2％)，无法满足实际应用需求。目前针对铁酸铋基高电致应变陶瓷的报道极少。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可获得低滞回、温度稳定高电致应变的铁酸铋基陶瓷。

本发明的另一目的是提供铁酸铋基电致应变陶瓷的制备方法。

本发明的另一目的是提供铁酸铋基电致应变陶瓷的应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种铁酸铋基电致应变陶瓷，该铁酸铋基电致应变陶瓷的化学组成为(0.67-x)Bi_1.02FeO₃-0.33BaTiO₃-x(Ba_0.8Ca_0.2)ZrO₃，其中x＝0～0.06，作为优选的技术方案，x＝0.02。

铁酸铋基电致应变陶瓷的制备方法，使用固相反应法制备得到陶瓷材料，具体采用以下步骤：