[发明专利]一种铁酸铋-钛酸钡复合压电陶瓷的制备方法

说明书

本发明涉及压电陶瓷领域，具体为一种铁酸铋‑钛酸钡复合压电陶瓷的制备方法。采用机械合金化结合固相反应法制备铁酸铋‑钛酸钡复合压电陶瓷，其流程如下：机械合金化处理→配料→一次球磨→压片预烧→二次球磨→造粒→压片成型→排胶→烧结→烧制电极→极化→测试。本发明通过预先机械合金化破坏了氧化铁、氧化铋和氧化锰的晶体结构，使得元素实现原子级别的混合，形成Bi‑O‑Fe(Mn)非晶化合物抑制了烧结过程中氧化铋的大量挥发。而且机械合金化会产生更多缺陷能，可以实现降低固相反应烧结温度，缩短反应时间的效果。

技术领域

本发明涉及压电陶瓷领域，具体为一种铁酸铋-钛酸钡复合压电陶瓷的制备方法。

背景技术

随着原子能、航空航天、汽车、冶金和石油化工等领域的发展，对设备的使用环境提出了更为苛刻的要求，其中高温环境下能稳定工作的压电陶瓷电子元器件作为电器的重要组成部分被广泛研究。首先，现阶段仍然大量存在锆钛酸铅、钛酸铅、偏铌酸铅等含铅铁电压电陶瓷，尽管价格低廉，压电活性较好，但存在着易粉碎，分散性大，重复性差，在烧结后或极化处理时易于破碎，且原材料对环境造成污染等多方面问题。此外，其制备成本高，制备工艺也不环保，尽管人们意图通过掺杂改性以改良这一现状，但却又导致其居里温度下降(居里温度：指磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度)铁磁性会在高温下大打折扣，这意味着该种陶瓷很难胜任在严苛环境条件下的工作，且压电系数也不高，同样限制了其使用范围。因此，人们开始尝试制备性能更好，工作温度更高，低污染低能耗的无铅压电陶瓷。

目前，无铅系压电陶瓷电子元器件采用传统固相反应法制备，其中因为卓越的压电性能和无毒环保的特性，在同类产品中最被看好的是铁酸铋-钛酸钡体系。制造该种陶瓷一般以BaTiO₃/Bi₂O₃/Fe₂O₃和BaCO₃/TiO₂/Bi₂O₃/Fe₂O₃为原料。按一定比例放入尼龙球磨罐内，以无水乙醇为分散剂和刚玉球为球磨介质，在普通球磨机上球磨12h。然后将球磨后的粉浆在80℃烘箱内烘干，在80℃下焙烧6h。将焙烧后的粉体再一次放入球磨罐内球磨12h，烘干，加入PVA压片，600℃下排胶2h，随炉冷却至室温，然后在1020℃下烧结保温3h(升温速率5℃/min)，烧结结束后，随炉冷却至室温。用SiC砂纸将烧成后的陶瓷的上下表面进行打磨，抛光，并均匀涂敷银浆，在600℃下保温20min烧银电极，并进行电学性能测试。

事实上，该方法仍存在一定的缺陷。1、对原材料颗粒粒径要求较高，且所需原材料较多。若元素分布不均将形成较多杂相，产品的相关性能(如：介电常数、压电系数)难以达到预期。2、该方法中采用的原料是氧化铋，而在高温烧结下氧化铋易挥发，导致反应物中Bi元素含量下降，致使产物的压电性能和其他参数受到影响，难以得到预期的压电陶瓷产品。3、传统固相反应法所应用的原料，不能实现原子级别的混合，致使随后的固溶扩散耗时增加，因此整体的制备时间长，制备能耗高，导致成本偏高阻碍无铅陶瓷的批量化生产。

传统固相反应法结合水淬冷，该工艺制作出的物质颗粒大，成品杂项较多，制备流程耗能过高，且制作工艺繁琐，耗时长。在相当高的温度下，Bi元素极易挥发。最终得到的成品机械稳定性低，容易产生裂痕，而且可能还存在漏电流过大，压电性能差的缺点。关于铁酸铋与钛酸钡进行复合的设计方案也非仅此一种，但其他方案操作相对复杂且难以批量进行生产。

溶胶凝胶法是方法之一，但是制备过程中会产生NO₂，易对环境产生污染，而且操作流程相对于其他方法复杂繁琐，耗时长，难以进行工业化量产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁酸铋-钛酸钡复合压电陶瓷的制备方法，为了解决现有技术在制备和运用中暴露出来的“能耗高、制备难度大、性能差、污染重”的问题。

本发明的技术方案是：