[发明专利]一种锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其制备方法和应用。该制备方法包括：将Bi₂O₃、Na₂CO₃、K₂CO₃、BaCO₃、TiO₂和MnO₂混合，加入无水乙醇，球磨后烘干，锻烧，得到具有钙钛矿结构的预烧粉体；向具有钙钛矿结构的预烧粉体加入无水乙醇球磨，烘干，压制成型；在500℃‑650℃排粘合剂2h‑4h，在1150‑1200℃烧结，保温2‑3h，升温速率为2‑3℃/min，降温速率为4‑5℃/min，得到锰掺杂钛酸铋钠‑钛酸铋钾‑钛酸钡陶瓷片；将烧结后的陶瓷片镀金10min‑20min，进行极化处理，得到锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷。通过上述制备方法制备得到的锰掺杂钛酸铋钠‑钛酸铋钾‑钛酸钡压电陶瓷可以用于压电器件。

技术领域

本发明属于压电材料技术领域，涉及一种锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，尤其是涉及一种锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其制备方法和应用，兼具高压电性和高温度稳定性。

背景技术

压电陶瓷作为一种可以将机械能和电能相互转换的功能材料，在驱动、传感和换能中具有非常重要的应用，在信息技术、光电子技术、精密控制技术、无损检测技术、电声和调谐技术等国民经济和国家安全领域占据着举足轻重的地位。近年来，随着人们生态环保意识的提高和社会可持续发展战略的实施，铅基压电陶瓷和相关器件的生产和使用受到限制，无铅压电铁电陶瓷的研发和使用应运而生。

目前，钙钛矿型无铅压电体系主要包括钛酸钡、铌酸钾钠、钛酸铋钠和铁酸铋。其中，钛酸铋钠(Bi_0.5Na_0.5TiO₃，BNT)作为一种A位复合钙钛矿结构固溶体，不仅具有良好的机电性能，还具有与铅基陶瓷媲美的居里温度(Tm-300℃)，被认为是有望替代铅基压电陶瓷的材料之一。另外，BNT基陶瓷高度无序的结构和复杂的相变意味着该体系可能存在丰富的新现象、新规律、新性能、新应用，有待进一步挖掘。综上，BNT基陶瓷不仅具有实用化发展的潜力，这类材料独特的结构和性质使其更有科学研究的价值。

钛酸铋钠基压电陶瓷由于铁电-弛豫相变的存在，使其在居里温度之前存在退极化现象，压电性能在该温度附近迅速退化，因此这个温度(退极化温度，Td)才是限制温度应用范围的关键。目前，通过化学修饰(包括引入不同元素、构建多元体系和氧化物掺杂)和工艺调控(淬火)等方法可以有效提高压电系数d₃₃和退极化温度Td。但是，钛酸铋钠基压电陶瓷的压电系数d₃₃和退极化温度Td总是呈反比的关系，即提升d₃₃的同时总是伴随着Td的减小，反之亦然。例如，BNT-6BT压电陶瓷的压电系数d₃₃为125pC/N，退极化温度Td约为100℃；ZnO掺杂BNT-6BT陶瓷的压电系数d₃₃为80pC/N，退极化温度Td为150℃；淬火处理的BNT-6BT陶瓷压电系数d₃₃为145pC/N，退极化温度Td为136℃。目前，仍然无法获得综合性能优异的钛酸铋钠基压电陶瓷，这阻碍着该系列无铅陶瓷的应用。

因此，制备兼具高压电系数d₃₃和高退极化温度Td的钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料具有极其重要的实际意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，使得制得的锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷兼具高压电性和高温度稳定性。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种锰掺杂钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，包括：