本發(fā)明涉及一種具有大應變的新型(1-x)na0.5bi0.5tio3-xba(zn1/3nb2/3)o3(即bnt-bzn)二元無鉛鐵電陶瓷，屬于電致應變陶瓷技術領域。

技術背景

具有大的電場誘導應變的鐵電陶瓷，具有體積小、承載力大、位移分辨率高、響應速度快，并且不發(fā)熱、不產生噪音、低能耗、無電磁干擾等優(yōu)點被廣泛應用于微位移器，制動器，機敏結構及其它器件方面。鉛基鐵電陶瓷如pb(zr,ti)o3,pb(mg,nb)o3具有大的電致應變特性，一直占據(jù)電致應變器件市場的主導地位。但是其大的鉛含量污染環(huán)境，有害人體健康，與環(huán)境友好型社會背道而馳。因此目前研究和開發(fā)無鉛基鐵電陶瓷具有很重要的意義。

隨著技術的發(fā)展，微位移器件在精密光學、微電子學、航空航天、精密機床、微型馬達、生物醫(yī)學和掃描隧道效應顯微鏡等高技術領域的需求量日益增長，對精密元器件在加工過程中的定位精確性提出了更高要求。然而，外界環(huán)境因素如：溫度、震動、噪聲的變化都會對器件的微加工造成影響。因此，電致伸縮材料在微驅動和微控制技術中占有愈來愈重要的地位，引起國內外科研人員的廣泛關注，獲得了高度重視。目前，研究得最多的電致伸縮陶瓷是弛豫型鐵電體陶瓷材料。雖然電致伸縮效應在固體電介質中普遍存在，但是其大小不同。從應用上看，要求電致伸縮材料在相對較低的電場條件下就能產生相對較大的應變，而且應變與電場的關系沒有滯后，重復性好，同時還要求溫度效應小。由于應變正比于介電常數(shù)的平方，又由于鐵電體在其相變溫度附近具有很大的介電常數(shù)，所以鐵電體在其相變溫度附近應該有較大的應變。

電致伸縮是一個四階張量，存在于各種對稱性的固體中；它是離子偏離平衡位置生產極化的一個標志，從而形成晶格常數(shù)的變化，即產生應變。自從cross等在0.9pb(mg1/3nb2/3)o3–0.1pbtio3弛豫鐵電體中觀察到大的電致伸縮以來，鐵電體成為制作致動器和微位移器的關鍵材料之一。近年來，研究者一直在無鉛鐵電體系中尋找具有大應變、小滯后和高溫度穩(wěn)定性的電致伸縮材料。

bi1/2na1/2tio3(nbt)是一種abo3型復合鈣鈦礦結構的鐵電材料，具有良好的溫度穩(wěn)定性，優(yōu)異的鐵電性能，一種典型的a位復合鈣鈦礦結構弛豫鐵電體。早在1998年，chiang等在nbt–bt體系中觀察到0.25％的小滯后電致應變。jo等提出，nbt基體系大的電致應變，是由于nbt基體系中存在特殊的極性微區(qū)(polarnanoregions，pnrs)，施加電場后轉變?yōu)殍F電態(tài)，而電場撤除后恢復到極化前的狀態(tài)。han等將nbt基體系的pnrs分為非遍歷態(tài)(低溫)和遍歷態(tài)(高溫)：遍歷態(tài)pnrs只能在電場的誘導下形成長程序，但電場撤除后則恢復非極性平衡態(tài)，從而產生無滯后的大電致應變。目前，遍歷態(tài)與非遍歷態(tài)之間的轉變已成為解釋nbt基體系介電和鐵電行為的主要觀點。為獲得大的、無滯后的電致應變，研究者致力于獲得具有非遍歷態(tài)與遍歷態(tài)pnrs共存結構的nbt基體系。

基于上面的考慮，我們以na0.5bi0.5tio3為基體材料，加入立方相的ba(zn1/3nb2/3)o3構成二元無鉛固溶體系(1-x)na0.5bi0.5tio3-xba(zn1/3nb2/3)o3。之前的大量研究表明在室溫下樣品處于遍歷與非遍歷態(tài)共存時能夠達到大的應變。ba(zn1/3nb2/3)o3是一種b位無序復合鈣鈦礦，它的加入主要是為了調節(jié)tf-r(遍歷相與非遍歷相的轉變溫度)，即通過改變ba(zn1/3nb2/3)o3的百分含量進而調節(jié)tf-r使其逐漸往室溫靠近，同時，ba(zn1/3nb2/3)o3的無序結構，能影響na0.5bi0.5tio3的離子分布結構，對pnrs的狀態(tài)進行調制。通過這種設計，我們希望構造處于遍歷與非遍歷的共存態(tài)的鐵電陶瓷，獲得具有大的電致應變材料。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是獲得一種大電致應變的新型bnt基多元無鉛鐵電陶瓷體系。為達到發(fā)明目的，本發(fā)明通過引進鈣鈦礦結構ba(zn1/3nb2/3)o3，與bi0.5na0.5tio3形成二元無鉛體系，以便在室溫附近獲得遍歷態(tài)與非遍歷態(tài)共存的弛豫鐵電體。

本發(fā)明得到的無鉛鐵電陶瓷，化學通式為(1-x)na0.5bi0.5tio3-xba(zn1/3nb2/3)o3，0<x≤0.06，優(yōu)選0.05。體系具有三方和贗立方鈣鈦礦相共存結構。

本發(fā)明采用傳統(tǒng)的陶瓷制備工藝，采用兩步法制備樣品：

(1)以zno、nb2o5為原料制備znnb2o6，制備時煅燒溫度為1000℃，保溫4h；

(2)制備通式為(1-x)na0.5bi0.5tio3-xba(zn1/3nb2/3)o3的無鉛鐵電陶瓷，采用的原料為化學純或電子級na2co3、bi2o3、tio2、baco3及步驟(1)制備的znnb2o6，具體制備方法為，根據(jù)化學通式的化學摩爾計量比稱量原料，將原料在乙醇中球磨12h，以使原料充分混合均勻，將混合均勻的原料烘干后裝入氧化鋁坩堝內，在800-950℃進行煅燒，保溫時間4h；煅燒合成的粉料再經過12h的球磨磨細，烘干，摻入黏結劑pvb，壓制成型(如在300mpa的壓力下壓制成直徑為11.5mm的圓片)；所得坯體在650℃排膠后，以3℃/min的速率升溫至1100℃～1200℃進行燒結，保溫1～4h，獲得na0.5bi0.5tio3-ba(zn1/3nb2/3)o3陶瓷。

燒結后的陶瓷片被上銀電極，用于對樣品進行各項性能的測試。

本發(fā)明通過構建(1-x)na0.5bi0.5tio3-xba(zn1/3nb2/3)o3二元無鉛固溶體，獲得了電致應變s為0.29％的應變材料，實現(xiàn)了與鉛基0.9pb(mgl/3nb2/3)o3-0.1pbtio3陶瓷應變性能可比擬的無鉛鐵電陶瓷。

附圖說明

采用配有電致伸縮的鐵電測試儀(premierii,radianttechnologies,usa)配合mti2100型光纖位移測試儀，測試電致應變。

圖1為本發(fā)明成分組成為x＝5％電滯伸縮曲線。

具體實施方式

下面結合實施例對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。

本發(fā)明采用傳統(tǒng)的陶瓷制備工藝，采用兩步法制備樣品，首先以zno、nb2o5為原料制備znnb2o6,將原料在乙醇中球磨12h，充分混合原料，然后將混合均勻的原料烘干后放入氧化鋁坩堝內，在1000℃的條件下進行煅燒，保溫時間4h。制備本發(fā)明所述的通式為(1-x)na0.5bi0.5tio3-xba(zn1/3nb2/3)o3的無鉛鐵電陶瓷，可以采用化學純或電子級na2co3，bi2o3，tio2，baco3，及第一步制備的znnb2o6等為原料，按照傳統(tǒng)的陶瓷制備工藝制得。具體制備方法為，根據(jù)化學通式和化學計量比稱量原料，將原料在乙醇中球磨12h，以使原料充分混合均勻，將混合均勻的原料烘干后裝入氧化鋁坩堝內，在800-950℃進行煅燒，保溫時間4h。煅燒合成的粉料再經過12h的球磨磨細。

在烘干的粉料中加粘結劑，在300mpa的壓力下成型，壓制成直徑11.5mm，厚度1.5mm左右的成型物。將成型物排膠，最后在1100-1200℃下燒結4h，燒結后的陶瓷片被上銀電極然后對樣品進行各項性能的測試。

按照上述方法制備的無鉛鐵電陶瓷的配方如下：

實施例1(對比例)：

配方：

na0.5bi0.5tio3

工藝：煅燒溫度850℃，燒結溫度1150℃。

實施例2：

配方：

0.98na0.5bi0.5tio3-0.02ba(zn1/3nb2/3)o3

工藝：煅燒溫度850℃，燒結溫度1150℃。

實施例3：

配方：

0.96na0.5bi0.5tio3-0.04ba(zn1/3nb2/3)o3

工藝：煅燒溫度850℃，燒結溫度1150℃。

實施例4：

配方：

0.95na0.5bi0.5tio3-0.05ba(zn1/3nb2/3)o3

工藝：煅燒溫度850℃，燒結溫度1150℃。

實施例5：

配方：

0.94na0.5bi0.5tio3-0.06ba(zn1/3nb2/3)o3

工藝：煅燒溫度850℃，燒結溫度1150℃。

各實施例性能表：