一種低損耗鐵酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低損耗BiFeO3-BaTiO3基無鉛壓電陶瓷及其制備方法，其組成通式為：(1- x )(Bi1- t La t )FeO3- x Ba(Ti1- u Sn u )O3+0.5%BiMnO3+ y Ba(Cu1/3Nb2/3)O3+ z LiBiO3+ m Ba(W1/2Cu1/2)O3，其中 t 、 x 、 u 、 y 、 z 、 m 表示摩爾分?jǐn)?shù)，且0< t ≤0.02，0.15≤ x ≤0.30，0< u <0.05,0< y <0.05,0< z <0.05，0< m <0.05。其制備方法包括按組成通式配料，球磨，成型素片，排膠，燒結(jié)等工序，采用降低燒結(jié)溫度、快速升降溫，高壓氧等技術(shù)，降低Bi元素?fù)]發(fā)，抑制氧空位產(chǎn)生，防止降溫過程中Fe3+離子變價，從而達(dá)到降低介電損耗的目的，制備出了介電損耗低于0.5%的高溫?zé)o鉛壓電陶瓷，使該體系能實際應(yīng)用于高溫壓電領(lǐng)域。
【專利說明】一種低損耗鐵酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無鉛壓電陶瓷的制備方法，具體是在高壓氧條件下采用低溫液相 快速燒結(jié)制備的低損耗高性能鐵酸鉍-鈦酸鋇基高溫?zé)o鉛壓電陶瓷的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 壓電陶瓷在信息、激光、導(dǎo)航、電子技術(shù)、通訊、計量檢測、精密加工和傳感技術(shù)等 高【技術(shù)領(lǐng)域】應(yīng)用廣泛。鐵酸鉍-鈦酸鋇體系壓電陶瓷因其無鉛、燒結(jié)溫度低、高居里溫度、 高退極化溫度以及良好的壓電性能收受到極大關(guān)注，2009年，Serhiy 0. Leontsev and Richard E. Eitel等報道該體系在氧氣氛中燒結(jié)條件下可獲得的壓電常數(shù)Or33=I 16/7^/V、退 極化溫度/^=469°(3的壓電陶瓷，但由于該體系的介電損耗一直較高，在IKHZ下的介電損耗 為4. 6%，嚴(yán)重限制了其實際開發(fā)應(yīng)用，因此如何降低該體系的介電損耗，是該體系得以在高 溫領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] BiFeO3-BaTiO3體系的介電損耗主要由以下幾個方面的因素引起：（1)由于純 BiFeO3的燒結(jié)溫度為750度左右，而BaTiO3的燒結(jié)溫度為1450度左右，兩者相差達(dá)到 700°C，因此，為了提高BiFeO 3-BaTiO3陶瓷體系的致密度及性能，兩相固溶體的燒結(jié)溫度在 1000°C以上，而Bi元素在高溫下又極易揮發(fā)，因此使得燒結(jié)產(chǎn)品偏離設(shè)計的化學(xué)計量比； (2) Fe3+離子的變價，在降溫階段，F(xiàn)e3+離子有部分會轉(zhuǎn)變成Fe2+離子。為了維持化合價平 衡，這兩種因素都會導(dǎo)致大量氧空位的產(chǎn)生，最終使得樣品的介電損耗較高，極化困難。因 此該體系在高溫壓電領(lǐng)域得以應(yīng)用的關(guān)鍵是如何控制該體系的介電損耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對BiFeO3-BaTiO3體系所存在的不足，而所提供一種低損耗鐵 酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷的制備方法。這種壓電陶瓷能有效的將介電損耗降低到了 1.0% 以下，使其可以應(yīng)用在高溫領(lǐng)域。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是： 一種低損耗鐵酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷，其組成通式為：（I-Z) (BiwLai) FeO3-^rBa(TUnu) 03+0· 5%BiMn03+_7Ba(Cu1/3Nb2/3) 03+zLiBi03+?Ba(W1/2Cu1/2) 03,其中 ?、X、?、 _F、ζ、》表示摩爾分?jǐn)?shù)，且 0〈? 彡 0· 02,0· 15 彡 ζ 彡 0· 30,0〈?〈0· 05，0<Κ0· 05，0〈ζ〈0· 05， 0<^<0. 05〇
[0006] 一種低損耗鐵酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷的制備方法，包括如下步驟： (1)以分析純 Fe203、Bi203、BaC03、Ti0 2、La203、Sn02、MnC03、Cu0、W0 3、Nb205、Li2CO3 為原 料，按照（1-z) (BiwLai) FeO3-ZBa (Τυη")03+ z LiBiO3 +0· 5%BiMn03+_FBa (Cuv3Nb2y3)OfffiBa(Wiy2Cuv2) O3 進(jìn)行配料（其中 0〈? 彡 0· 02， 0.15彡1彡0.30,0〈"〈0.05，0<7〈0.05，0<^〈0.05,0<?〈0.05)，以無水乙醇為介質(zhì)球磨 24小時，在KKTC /12小時烘干、過篩，放入高鋁坩堝中加蓋，再放入密閉通氧管式爐中以 250°C /h的升溫速率到800°C，加高壓氧至20MPa，保溫4小時合成，并降溫冷卻至200度以 下后取出。
[0007] (2)將步驟 1 合成的（I-Z) (BiwLai) FeO3IBa (TinSnJ 〇3+0. 5%BiMn03+j^Ba (Cu1/3Nb2/3) 03+^LiBi03 ^ffli?a(W1/2Cu1/2)03(其中 0〈? < 0· 02， 0· 15 < ζ < (λ 30,0〈?〈0· 05，0<Κ(λ 05，0&〈0· 05,0</?〈0· 05)進(jìn)行二次球磨，以無水乙醇 為介質(zhì)球磨24小時,干燥,過篩； (3) 將過篩后的粉末加入5%PVA溶液造粒，在鋼模中于IOOMPa下壓制成型，模具內(nèi)直徑 約為Icm ; (4) 成型的素片以30°C /h的升溫速率緩慢升溫至600°C，保溫6h排膠，隨爐冷卻后取 出備用； (5) 將已排膠的素片直接推入750度通純氧的管式爐中，密封，以20°C /min的升溫速 率到840-860°C，同時加氧高壓至20MPa，保溫30min，降壓，打開管式爐，直接取出樣品至空 氣中冷卻； (6) 將燒結(jié)后的樣品加工成兩面光滑、厚度約Imm的薄片，披銀電極，600°C/30min燒銀 后備用； (7) 將制備的壓電陶瓷片在硅油中極化，極化電場6000V/mm，溫度150°C，時間30分鐘， 保持電場冷卻至室溫。
[0008] 本發(fā)明的積極效果是： 本發(fā)明制備方法成功地在保持優(yōu)異性能的基礎(chǔ)上，（1)通過添加燒結(jié)助劑降低燒結(jié)溫 度以及采用快速升溫，減少Bi元素在燒結(jié)過程中的揮發(fā)，保證化學(xué)計量比的平衡；（2)采用 高壓氧條件，抑制氧空位的產(chǎn)生；（3)采用急冷的燒結(jié)技術(shù)，以及采用元素?fù)诫s抑制燒結(jié)降 溫過程中Fe 3+離子轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2+離子，抑制氧空位的產(chǎn)生。通過這三個技術(shù)的組合，將介電損 耗降至可以在高溫領(lǐng)域應(yīng)用的1. 〇%以下，這對于BiFeO3-BaTiO3體系壓電陶瓷而言，從技術(shù) 上看，具有重大突破和技術(shù)上的創(chuàng)新，并具有實用性。

【具體實施方式】 [0009] 實施例1 : 組成通式：〇.75(Bi0.99La0.01)Fe0 3-〇.25Ba(Ti0.98Sn0.02) 03-〇.5%BiMn03+ 0· 6%LiBi03+0. 6%Ba(Cu1/3Nb2/3)03+(X 5% Ba(W1/2Cu1/2)03,制備方法包括如下步驟： (1)以分析純 Fe203、Bi203、BaC03、Ti0 2、La203、Sn02、MnC03、Cu0、W0 3、Nb205、Li2CO3 為原 料，按照0.75收。.991^。.。1)卩603-0.258 &(11。.98511。.。2)03- 0· 5%BiMn03+0. 8%LiBi03+0. 6%Ba(Cu1/3Nb2/3)03+0· 5% Ba(W1/2Cu1/2)03,進(jìn)行配料，以無水 乙醇為介質(zhì)球磨24小時，在100°C /12小時烘干、過篩，放入高鋁坩堝中加蓋，再放入密閉通 氧管式爐中以250°C /h的升溫速率到800°C，加高壓氧至20MPa，保溫4小時合成，并降溫冷 卻至200度以下后取出。
[0010] (2 )將步驟 1 合成的 0· 75 (BiQ. 99LaQ. Q1) FeO3-O. 25Ba (TiQ. 98SnQ. Q2) O3-O. 5%BiMn03+ 0· 8%LiBi03+0. 6%Ba(Cu1/3Nb2/3)03+0· 5% Ba(W1/2Cu1/2)03 進(jìn)行二次球磨，以無水乙醇為介質(zhì)球 磨24小時,干燥； (3)將過篩后的粉末加入5%PVA溶液造粒，在鋼模中于IOOMPa下壓制成型，模具內(nèi)直徑 約為Icm ; (4) 成型的素片以30°C /h的升溫速率緩慢升溫至600°C，保溫6h排膠，隨爐冷卻后取 出備用； (5) 將已排膠的素片直接推入750度通純氧的管式爐中，密封，以20°C /min的升溫速 率快速升溫到860°C，同時加氧高壓至20MPa，保溫30min，降壓，打開管式爐，直接取出樣品 至空氣中冷卻； (6) 將燒結(jié)后的樣品加工成兩面光滑、厚度約Imm的薄片，披銀電極，600°C/30min燒銀 后備用； (7) 將制備的壓電陶瓷片在硅油中極化，極化電場6000V/mm，溫度150°C，時間30分鐘， 保持電場冷卻至室溫。
[0011] 性能測量結(jié)果如下： 實施例2 :

【權(quán)利要求】
1. 一種低損耗鐵酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷，其特征是：其組成通式為：（1-z) (BiuLa》Fe03-xBa (TUn") 03+0. 5%BiMn03+_7Ba (Cu1/3Nb2/3) 03+zLiBi03+?Ba (W1/2Cu1/2) 03，其 中 h z、w、_F、z、》表示摩爾分?jǐn)?shù)，且 0〈t 彡 0? 02,0? 15 彡 z 彡 0? 30,0〈"〈0? 05，0<K0. 05， 0<z〈0. 05，0<?〈0? 05。
2. -種低損耗鐵酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷的制備方法，其特征是：包括如下步驟： (1) 以分析純 Fe203、Bi203、BaC03、Ti0 2、La203、Sn02、MnC03、Cu0、W0 3、Nb205、Li2C03 為原 料，按照zLiBi03 +0? SQ/oBiMnOstFBaCCu^NlvJOs+ffiBaCWwCivJOs 進(jìn)行配料（其中 0〈t 彡 0? 02， 0.15彡1彡0.30,0〈"〈0.05，0<7〈0.05，0<^〈0.05,0<?〈0.05)，以無水乙醇為介質(zhì)球磨 24小時，在KKTC /12小時烘干、過篩，放入高鋁坩堝中加蓋，再放入密閉通氧管式爐中以 250°C /h的升溫速率到800°C，加高壓氧至20MPa，保溫4小時合成，并降溫冷卻至200度以 下后取出； (2) 將步驟 1 合成的（1-z) (BiHLajFeOs-zBaCTUrOOs+O. 5%BiMn03+_FBa(Cu1/3Nb2/3) 03+龍18103+?5<3(11/ 2〇11/2)03(其中0〈6彡0.02,0.15彡1彡0.30,0〈"〈0.05，0〈_7〈0.05， 0<z〈0. 05,0<?〈0. 05)進(jìn)行二次球磨，以無水乙醇為介質(zhì)球磨24小時，干燥，過篩； (3) 將過篩后的粉末加入5%?￥4溶液造粒，在鋼模中于10010^下壓制成型，模具內(nèi)直徑 約為lcm ; (4) 成型的素片以30°C /h的升溫速率緩慢升溫在至600°C，保溫6h排膠，隨爐冷卻后 取出備用； (5) 將已排膠的素片直接推入750度通純氧的管式爐中，密封，以20°C /min的升溫速 率到840-860°C，同時加氧高壓至20MPa，保溫30min，降壓，打開管式爐，直接取出樣品至空 氣中冷卻； (6) 將燒結(jié)后的樣品加工成兩面光滑、厚度約1_的薄片，披銀電極，600°C/30min燒銀 后備用； (7) 將制備的壓電陶瓷片在硅油中極化，極化電場6000V/mm，溫度150°C，時間30分鐘， 保持電場冷卻至室溫。
【文檔編號】C04B35/622GK104402425SQ201410691071
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】楊華斌, 周沁, 劉慧 , 李曉寧, 王運風(fēng), 粟航 申請人:桂林電子科技大學(xué)