CN104402425A - 一种低损耗铁酸铋-钛酸钡基压电陶瓷的制备方法 - Google Patents

一种低损耗铁酸铋-钛酸钡基压电陶瓷的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低损耗BiFeO3-BaTiO3基无铅压电陶瓷及其制备方法，其组成通式为：(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 表示摩尔分数，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。其制备方法包括按组成通式配料，球磨，成型素片，排胶，烧结等工序，采用降低烧结温度、快速升降温，高压氧等技术，降低Bi元素挥发，抑制氧空位产生，防止降温过程中Fe3+离子变价，从而达到降低介电损耗的目的，制备出了介电损耗低于0.5%的高温无铅压电陶瓷，使该体系能实际应用于高温压电领域。

Description

一种低损耗铁酸铋-钛酸钡基压电陶瓷的制备方法
技术领域
本发明涉及一种无铅压电陶瓷的制备方法，具体是在高压氧条件下采用低温液相快速烧结制备的低损耗高性能铁酸铋-钛酸钡基高温无铅压电陶瓷的制备方法。 
背景技术
压电陶瓷在信息、激光、导航、电子技术、通讯、计量检测、精密加工和传感技术等高技术领域应用广泛。铁酸铋-钛酸钡体系压电陶瓷因其无铅、烧结温度低、高居里温度、高退极化温度以及良好的压电性能收受到极大关注，2009年,Serhiy O. Leontsev  and Richard E. Eitel等报道该体系在氧气氛中烧结条件下可获得的压电常数d 33=116pC/N、退极化温度T d=469oC的压电陶瓷，但由于该体系的介电损耗一直较高，在1KHZ下的介电损耗为4.6%，严重限制了其实际开发应用，因此如何降低该体系的介电损耗，是该体系得以在高温领域应用的关键技术。
BiFeO3-BaTiO3体系的介电损耗主要由以下几个方面的因素引起：（1）由于纯BiFeO3的烧结温度为750度左右，而BaTiO3的烧结温度为1450度左右，两者相差达到700oC，因此，为了提高BiFeO3-BaTiO3陶瓷体系的致密度及性能，两相固溶体的烧结温度在1000oC以上，而Bi元素在高温下又极易挥发，因此使得烧结产品偏离设计的化学计量比；（2）Fe3+离子的变价，在降温阶段，Fe3+离子有部分会转变成Fe2+离子。为了维持化合价平衡，这两种因素都会导致大量氧空位的产生，最终使得样品的介电损耗较高，极化困难。因此该体系在高温压电领域得以应用的关键是如何控制该体系的介电损耗。
发明内容
本发明的目的是针对BiFeO3-BaTiO3体系所存在的不足，而所提供一种低损耗铁酸铋-钛酸钡基压电陶瓷的制备方法。这种压电陶瓷能有效的将介电损耗降低到了1.0%以下，使其可以应用在高温领域。
实现本发明目的的技术方案是：
一种低损耗铁酸铋-钛酸钡基压电陶瓷，其组成通式为： (1-x)(Bi1-t La t )FeO3-xBa(Ti1-u Sn u )O3+0.5%BiMnO3+yBa(Cu1/3Nb2/3)O3+zLiBiO3+mBa(W1/2Cu1/2)O3，其中t、x、u、y、z、m表示摩尔分数，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。
一种低损耗铁酸铋-钛酸钡基压电陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
（1）以分析纯Fe2O3、Bi2O3、BaCO3、TiO2、La2O3、SnO2、MnCO3、CuO、WO3、Nb2O5、Li2CO3为原料，按照(1-x)(Bi1-t La t )FeO 3-xBa(Ti1-u Sn u )O3+ｚLiBiO3
+0.5%BiMnO3+yBa(Cu1/3Nb2/3)O3+mBa(W1/2Cu1/2)O3进行配料(其中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)，以无水乙醇为介质球磨24小时，在100℃/12小时烘干、过筛，放入高铝坩埚中加盖，再放入密闭通氧管式炉中以250℃/h的升温速率到800℃，加高压氧至20MPa，保温4小时合成，并降温冷却至200度以下后取出。
（2）将步骤1合成的(1-x)(Bi1-t La t )FeO3-xBa(Ti1-u Sn u )O3+0.5%BiMnO3+yBa(Cu1/3Nb2/3)O3+zLiBiO3  +mBa(W1/2Cu1/2)O3(其中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)进行二次球磨，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥，过筛；
   （3）将过筛后的粉末加入5%PVA溶液造粒，在钢模中于100MPa下压制成型，模具内直径约为1cm；
   （4）成型的素片以30℃/h的升温速率缓慢升温至600℃，保温6h排胶，随炉冷却后取出备用；
   （5）将已排胶的素片直接推入750度通纯氧的管式炉中，密封，以20℃/min的升温速率到840-860℃，同时加氧高压至20MPa，保温30min，降压，打开管式炉，直接取出样品至空气中冷却；
   （6）将烧结后的样品加工成两面光滑、厚度约1mm的薄片，披银电极，600oC/30min烧银后备用；
   （7）将制备的压电陶瓷片在硅油中极化，极化电场6000V/mm，温度150℃，时间30分钟，保持电场冷却至室温。
本发明的积极效果是：
本发明制备方法成功地在保持优异性能的基础上，（1）通过添加烧结助剂降低烧结温度以及采用快速升温，减少Bi元素在烧结过程中的挥发，保证化学计量比的平衡；（2）采用高压氧条件，抑制氧空位的产生；（3）采用急冷的烧结技术，以及采用元素掺杂抑制烧结降温过程中Fe3+离子转变为Fe2+离子，抑制氧空位的产生。通过这三个技术的组合，将介电损耗降至可以在高温领域应用的1.0%以下，这对于BiFeO3-BaTiO3体系压电陶瓷而言，从技术上看，具有重大突破和技术上的创新，并具有实用性。
具体实施方式
实施例1：
组成通式:0.75(Bi0.99La0.01)FeO3-0.25Ba(Ti0.98Sn0.02)O3-0.5%BiMnO3+ 0.6%LiBiO3+0.6%Ba(Cu1/3Nb2/3)O3+0.5% Ba(W1/2Cu1/2)O3，制备方法包括如下步骤： 
（1）以分析纯Fe2O3、Bi2O3、BaCO3、TiO2、La2O3、SnO2、MnCO3、CuO、WO3、Nb2O5、Li2CO3为原料，按照0.75(Bi0.99La0.01)FeO3-0.25Ba(Ti0.98Sn0.02)O3-
0.5%BiMnO3+0.8%LiBiO3+0.6%Ba(Cu1/3Nb2/3)O3+0.5% Ba(W1/2Cu1/2)O3，进行配料，以无水乙醇为介质球磨24小时，在100℃/12小时烘干、过筛，放入高铝坩埚中加盖，再放入密闭通氧管式炉中以250℃/h的升温速率到800℃，加高压氧至20MPa，保温4小时合成，并降温冷却至200度以下后取出。
（2）将步骤1合成的0.75(Bi0.99La0.01)FeO3-0.25Ba(Ti0.98Sn0.02)O3-0.5%BiMnO3+ 0.8%LiBiO3+0.6%Ba(Cu1/3Nb2/3)O3+0.5% Ba(W1/2Cu1/2)O3进行二次球磨，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥；
   （3）将过筛后的粉末加入5%PVA溶液造粒，在钢模中于100MPa下压制成型，模具内直径约为1cm；
   （4）成型的素片以30℃/h的升温速率缓慢升温至600℃，保温6h排胶，随炉冷却后取出备用；
   （5）将已排胶的素片直接推入750度通纯氧的管式炉中，密封，以20℃/min的升温速率快速升温到860℃，同时加氧高压至20MPa，保温30min，降压，打开管式炉，直接取出样品至空气中冷却；
   （6）将烧结后的样品加工成两面光滑、厚度约1mm的薄片，披银电极，600oC/30min烧银后备用；
   （7）将制备的压电陶瓷片在硅油中极化，极化电场6000V/mm，温度150℃，时间30分钟，保持电场冷却至室温。
性能测量结果如下：
  d 33(pC/N)  Qm  k p εr  tanδ(%)
161 43.2  0.31 788 0.913
实施例2：
成分：0.75(Bi0.99La0.01)FeO3-0.25Ba(Ti0.99Sn0.01)O3-0.5%BiMnO3+0.6%LiBiO3+
0.6%Ba(Cu1/3Nb2/3)O3+0.8% Ba(W1/2Cu1/2)O3
制备方法同实施例1。
性能测量结果如下：
d 33(pC/N) Qm k p εr tanδ(%)
157 41 0.30 764 0.961
实施例3：
成分：0.75(Bi0.99La0.01)FeO3-0.25Ba(Ti0.99Sn0.01)O3-0.5%BiMnO3+ 0.8%LiBiO3+
0.6%Ba(Cu1/3Nb2/3)O3+1.0% Ba(W1/2Cu1/2)O3制备方法同实施例1，不同的是烧结温度850℃/4h
性能测量结果如下：
d 33(pC/N) Qm k p εr tanδ(%)
138 37 0.296 730 0.984
实施例4：
成分：0.80(Bi0.99La0.01)FeO3-0.20Ba(Ti0.98Sn0.02)O3-0.5%BiMnO3+0.8%LiBiO3+
0.9%Ba(Cu1/3Nb2/3)O3+1.0% Ba(W1/2Cu1/2)O3
制备方法同实施例1，不同的是烧结温度840℃。
性能测量结果如下：
d 33(pC/N) Qm k p εr tanδ(%)
136 29 0.25 429 0.99
    本发明所列举的成分的上下限、区间取值以及工艺参数的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施。

Claims (2)

1.一种低损耗铁酸铋-钛酸钡基压电陶瓷，其特征是：其组成通式为： (1-x)(Bi1-t La t )FeO3-xBa(Ti1-u Sn u )O3+0.5%BiMnO3+yBa(Cu1/3Nb2/3)O3+zLiBiO3+mBa(W1/2Cu1/2)O3，其中t、x、u、y、z、m表示摩尔分数，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。
2.一种低损耗铁酸铋-钛酸钡基压电陶瓷的制备方法，其特征是：包括如下步骤：
（1）以分析纯Fe2O3、Bi2O3、BaCO3、TiO2、La2O3、SnO2、MnCO3、CuO、WO3、Nb2O5、Li2CO3为原料，按照(1-x)(Bi1-t La t )FeO 3-xBa(Ti1-u Sn u )O3+ zLiBiO3
+0.5%BiMnO3+yBa(Cu1/3Nb2/3)O3+mBa(W1/2Cu1/2)O3进行配料(其中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)，以无水乙醇为介质球磨24小时，在100℃/12小时烘干、过筛，放入高铝坩埚中加盖，再放入密闭通氧管式炉中以250℃/h的升温速率到800℃，加高压氧至20MPa，保温4小时合成，并降温冷却至200度以下后取出；
（2）将步骤1合成的(1-x)(Bi1-t La t )FeO3-xBa(Ti1-u Sn u )O3+0.5%BiMnO3+yBa(Cu1/3Nb2/3)O3+ zLiBiO3  + mBa(W1/2Cu1/2)O3(其中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)进行二次球磨，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥，过筛；
   （3）将过筛后的粉末加入5%PVA溶液造粒，在钢模中于100MPa下压制成型，模具内直径约为1cm；
   （4）成型的素片以30℃/h的升温速率缓慢升温在至600℃，保温6h排胶，随炉冷却后取出备用；
   （5）将已排胶的素片直接推入750度通纯氧的管式炉中，密封，以20℃/min的升温速率到840-860℃，同时加氧高压至20MPa，保温30min，降压，打开管式炉，直接取出样品至空气中冷却；
   （6）将烧结后的样品加工成两面光滑、厚度约1mm的薄片，披银电极，600oC/30min烧银后备用；
   （7）将制备的压电陶瓷片在硅油中极化，极化电场6000V/mm，温度150℃，时间30分钟，保持电场冷却至室温。
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