一種同時具備高壓電性能與高儲能密度無鉛陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及壓電與介電儲能陶瓷材料，具體是一種無鉛壓電與高儲能密度陶瓷材 料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓電陶瓷是實現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的重要功能材料，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。但是目前實用的壓 電陶瓷絕大部分是鋯鈦酸鉛（PZT)或以鋯鈦酸鉛為基的材料。由于含鉛壓電陶瓷在制備、 使用和廢棄后處理過程中都會對環(huán)境造成污染。因此尋找一種能夠替代鉛基壓電陶瓷的無 鉛壓電陶瓷材料是一項有重大社會和經(jīng)濟(jì)意義的課題。
[0003] 目前，陶瓷電容器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通訊、電腦、家電、汽車、工業(yè)儀器儀表、高鐵、軍 工等眾多領(lǐng)域，是電子設(shè)備不可缺少的元器件之一。電子電路的集成化和小型化，對陶瓷 電容器提出了更高的要求，使其向小型化、高容量、低成本、多功能化等方向發(fā)展。高儲能 密度電容器具有充放電速度快、抗循環(huán)老化、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，可作為電子設(shè)備的小型化電 源。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，電容器逐漸向高儲能、小型化、輕質(zhì)量、低成本、高可靠性等方向 發(fā)展，這對電容器電介質(zhì)材料的介電性能提出了越來越高的要求。但目前電介質(zhì)電容器存 在儲能密度低、放電壽命短等問題，難以滿足新技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的需求。因此，開放新的高 儲能密度介電材料是目前急需解決的熱點問題。
[0004] 迄今為止，對于同時具備高壓電性能、高儲能密度無鉛陶瓷材料及其制備方法還 未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是要提供一種同時具備高壓電性能、高儲能密度綠色環(huán)保無鉛陶瓷及 其制備方法。這種陶瓷材料壓電應(yīng)變常數(shù)大，儲能密度高，成本低廉，環(huán)境友好、實用性好。 這種陶瓷具有優(yōu)異的壓電性能及儲能密度，壓電常數(shù)4可達(dá)682pm/V，儲能密度可達(dá)1. 75 J/cm3,環(huán)境友好、實用性好。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是： 一種高壓電性能、高儲能密度無鉛陶瓷介質(zhì)材料，其配方為： (0. 95-x-j-z)Bi0 5Na0 5Ti03 -xBi0 5K0 5Ti03 -7Ba0 65Sr0 35Ti_03 -zK0 5Na0 5Nb03 -0. 05LiTa03 其中 表示摩爾分?jǐn)?shù)，0.002 彡 < 0.3,0.002 彡 0.2，0.001 彡 0.3。
[0007] 本發(fā)明高壓電性能、高儲能密度無鉛陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟： (1) 將原料按照化學(xué)式（0.95-1-廣38込5似(|. 5!103-冰込51((|.5110 3 - 65Sr〇. 35Ti_03 -zK〇. 5Na〇. 5Nb03 - 0? 05LiTa03 其中z、_F、z表示摩爾分?jǐn)?shù)，0? 002 彡 < 0? 3,0. 002 彡 0? 2，0? 001 彡於^ 0? 3， 進(jìn)行配料，以無水乙醇為介質(zhì)球磨12小時，干燥后于850°C預(yù)燒2小時合成主晶相粉末； (2) 將步驟（1)的預(yù)燒粉末以無水乙醇為介質(zhì)高能球磨12小時，干燥后獲得粉末； (3) 將步驟（2)獲得的粉體裝入直徑為12mm的石墨模具，在放電等離子燒結(jié)體系于 700-900°C中保溫5min，壓力35MPa，泄壓后隨爐冷卻到室溫。
[0008] (4)燒結(jié)后的樣品加工成兩面光滑、厚度約0. 3mm的薄片，披銀電極，然后測試壓 電性能與儲能性能。
[0009] 與已有材料及技術(shù)相比，本發(fā)明的特色體現(xiàn)在： 1.本發(fā)明的陶瓷材料為四組元綠色環(huán)保材料，多組元可以在很寬的組成調(diào)控來實現(xiàn) 高儲能密度并兼具高壓電性能。
[0010] 2.本發(fā)明采用放電等離子燒結(jié)，燒結(jié)溫度低，時間短，可避免元素?fù)]發(fā)以保持實 際化學(xué)配比與計算配比一致，晶粒細(xì)小均勻，致密度高，可滿足不同應(yīng)用的需要。
[0011]
【附圖說明】： 附圖1:本發(fā)明陶瓷材料的電滯回線。
[0012]
【具體實施方式】
[0013] 通過下面給出的實施例，可以進(jìn)一步清楚的了解本發(fā)明的內(nèi)容，但它們不是對本 發(fā)明的限定。
[0014] 實施例1: 制備成分為：（〇? 95-Z- 冰0.5恥。5恥03 - 0? 05LiTa03,其中z=0. 05,尸0? 02,z=0. 02 的陶瓷材料。
[0015] 制備方法包括如下步驟： 以電子級粉末：Bi203、Na2C03、K2C03、Li2C03、BaC03、SrC03、Nb205、Ta205和TiO2為原料，分 別按照以下化學(xué)式： (0? 95-z-，-z)Bi〇.5Na〇.5Ti03 -zBi〇.5K〇.5Ti03 -，Ba〇.65Sr〇.35Ti_03 -zK〇.5Na〇.5Nb03 -0. 051^1&03進(jìn)行配料，以無水乙醇為介質(zhì)球磨濕磨12小時，80 °C烘干后在在氧化鋁坩堝 中850°C保溫2小時預(yù)合成主晶相粉末。
[0016] 將合成主晶相粉末以無水乙醇為介質(zhì)高能球磨12小時，干燥后獲得粉末； 將獲得的粉體裝入直徑為12mm的石墨模具，在放電等離子燒結(jié)體系于700°C中保溫 5min，壓力35MPa，泄壓后隨爐冷卻到室溫。
[0017] 燒結(jié)后的樣品加工成兩面光滑、厚度約0. 3mm的薄片，披銀電極，然后測試壓電性 能與儲能性能。
[0018] 性能如表1所示。
[0019] 實施例2: 制備成分為： (0? 95-z-7-z)Bi〇.5Na〇.5Ti03 -zBi〇.5K〇.5Ti03 - 7Ba〇.65Sr〇.35Ti_03 -zK〇.5Na〇.5Nb03 -0? 05LiTa03,其中z=0. 15,尸0? 06,z=0. 1 的陶瓷材料。
[0020] 制備方法同實施例1，不同的是燒結(jié)溫度750°C。
[0021] 性能如表1所示。
[0022] 實施例3 : 制備成分為： (0? 95-z-7-z)Bi〇.5Na〇.5Ti03 -zBi〇.5K〇.5Ti03 - 7Ba〇.65Sr〇.35Ti_03 -zK〇.5Na〇.5Nb03 -0? 05LiTa03,其中z=0. 25,尸0? 002,z=0. 08 的陶瓷材料。
[0023] 制備方法同實施例1，不同的是燒結(jié)溫度800°C。
[0024] 性能如表1所示。
[0025] 實施例4: 制備成分為： (0? 95-z-廣z)Bi0 5Na0 5Ti03 -jfii0 5K0 5Ti03 -jBa0 65Sr0 35Ti_03iK0 5Na0 5Nb03 - 0 制備方法同實施例1，不同的是燒結(jié)溫度900°C。
[0026] 性能如表1所示。
[0027] 實施例5: 制備成分為： (0? 95-z-7-z)Bi〇.5Na〇.5Ti03 -zBi〇.5K〇.5Ti03 - 7Ba〇.65Sr〇.35Ti_03 -zK〇.5Na〇.5Nb03 -0? 05LiTa03,其中z=0. 18,尸0? 07,z=0. 1 的陶瓷材料。
[0028] 制備方法同實施例1，不同的是燒結(jié)溫度860°C。
[0029] 性能如表1所示。
[0030] 實施例6 : 制備成分為： (0? 95-z-7-z)Bi〇.5Na〇.5Ti03 -zBi〇.5K〇.5Ti03 - 7Ba〇.65Sr〇.35Ti_03 -zK〇.5Na〇.5Nb03 -0? 05LiTa03,其中z=0. 20,尸0? 04,z=0. 18 的陶瓷材料。
[0031] 制備方法同實施例1。
[0032] 性能如表1所示。
[0033] 實施例7 : 制備成分為： (0? 95-z-7-z)Bi〇.5Na〇.5Ti03 -zBi〇.5K〇.5Ti03 - 7Ba〇.65Sr〇.35Ti_03 -zK〇.5Na〇.5Nb03 -0? 05LiTa03,其中z=0. 06,尸0? 12,z=0. 06 的陶瓷材料。
[0034] 制備方法同實施例1。
[0035] 性能如表1所示。
[0036] 實施例8: 制備成分為： (0? 95-z-7-z)Bi〇.5Na〇.5Ti03 -zBi〇.5K〇.5Ti03 - 7Ba〇.65Sr〇.35Ti_03 -zK〇.5Na〇.5Nb03 -0? 05LiTa03,其中z=0. 25,尸0? 006,z=0. 005 的陶瓷材料。
[0037] 制備方法同實施例3。
[0038] 性能如表1所示。
[0039] 實施例9: 制備成分為： (0? 95-z-7-z)Bi〇.5Na〇.5Ti03 -zBi〇.5K〇.5Ti03 - 7Ba〇.65Sr〇.35Ti_03 -zK〇.5Na〇.5Nb03 -0? 05LiTa03,其中z=0. 12,尸0? 03,z=0. 15 的陶瓷材料。
[0040] 制備方法同實施例2。
[0041] 性能如表1所示。
[0042] 表1實施例樣品的電性能
【主權(quán)項】
1. 一種高壓電、高儲能密度無鉛陶瓷介質(zhì)材料，其特征是：組成通式為： (0? 95-z-_7-z)Bi〇.5Na〇.5Ti03 -zBi〇.5K〇.5Ti03 - 7Ba〇.65Sr〇.35Ti_03 -zK〇.5Na〇.5Nb〇3-0. 05LiTa03 其中 表示摩爾分?jǐn)?shù)，0.002 彡 < 0.3,0.002 彡 0.2，0.001 彡 0.3。
2. 如權(quán)利要求1所述的高壓電、高儲能密度無鉛陶瓷介質(zhì)材料的制備方法，其特征是 包含以下步驟： ⑴將原料按照（0.95-1-廣381。.5似。.5110 3-冰1。.51(。.51103-鄧&。. 6決。.3511_03-zKQ.5NaQ.5Nb03 - 0. 05LiTa0^行配料，以無水乙醇為介質(zhì)球磨12小時，干燥后以850°C預(yù) 燒2小時合成主晶相粉末； (2) 將步驟（1)的預(yù)燒粉末以無水乙醇為介質(zhì)高能球磨12小時，干燥后獲得粉末； (3) 將步驟（2)獲得的粉體裝入直徑為12mm的石墨模具，在放電等離子燒結(jié)體系于 700-900°C中保溫5min，壓力35MPa，泄壓后隨爐冷卻到室溫； (4) 燒結(jié)后的樣品加工成兩面光滑、厚度約0. 3mm的薄片，披銀電極即成。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高壓電、高儲能密度無鉛陶瓷介質(zhì)材料，成分以通式(0.95-x-y-z)Bi0.5Na0.5TiO3–xBi0.5K0.5 TiO3–yBa0.65Sr0.35Ti-O3–zK0.5Na0.5NbO3 –0.05LiTaO3來表示，其中x、y、z表示摩爾分?jǐn)?shù)，0.002≤x≤0.3，0.002≤y≤0.2，0.001≤z≤0.3。本發(fā)明采用放電等離子燒結(jié)，可在低燒結(jié)溫度下獲得均勻致密的陶瓷組織。本發(fā)明的壓電、高儲能密度陶瓷具有優(yōu)異的儲能密度、儲能效率及高壓電常數(shù)，儲能密度可達(dá)1.75J/cm3，儲能效率可達(dá)65%，壓電常數(shù)d33可達(dá)682pm/V、實用性好。
【IPC分類】C04B35-622, C04B35-475, C04B35-64
【公開號】CN104710174
【申請?zhí)枴緾N201510104203
【發(fā)明人】周昌榮, 許積文, 袁昌來, 黎清寧, 曾衛(wèi)東, 陳國華
【申請人】桂林電子科技大學(xué)
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年3月10日