一種織構化壓電陶瓷材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種織構化壓電陶瓷材料及其制備方法，該壓電陶瓷材料由模板材料晶體和基體材料構成，具有001取向的Bi4Ti3O12、Na0.5Bi4.5 Ti4O15或Na0.5Bi0.5TiO3模板材料晶體在基體材料中形成定向排列；所述的基體材料具有以下化學表達式：(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3—xBaTiO3，x為0.03～0.09；該壓電陶瓷材料的制備方法是先制備基體材料薄片，將模板材料晶體涂刷在基體材料表面形成定向排列，再將多塊薄片疊加，熱壓成型，燒結，即得織構化壓電陶瓷材料；該制備方法操作簡單、成本低、適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，制得的壓電陶瓷材料織構化程度高，具有300℃以上居里溫度，且壓電性能良好，可以廣泛應用于可廣泛應用于壓電傳感器、壓電電動機以及高精度位移控制等方面。
【專利說明】一種織構化壓電陶瓷材料及其制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種織構化壓電陶瓷材料及其制備方法，屬于無鉛壓電材料領域。

【背景技術】
[0002]壓電陶瓷作為傳感器、制動器和變頻器被廣泛的應用于工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)控、通訊、信息系統(tǒng)及醫(yī)療器械等領域。目前廣泛應用的壓電材料主要是具有鈣鈦礦結構的PZT (PbZrO3-PbT13)和 PT(PbT13)材料。
[0003]隨著人們對環(huán)境保護意識的日益提高，很多國家和地區(qū)對電子器件的含鉛量控制愈發(fā)嚴格，并且已經(jīng)提出了無鉛化的日程表，這就需要開發(fā)能替代PZT(PbZrO3-PbT13)和PT(PbT13)的無鉛壓電陶瓷材料。目前，無鉛壓電材料體系主要包括KNN(Kaa5Naa5NbO3)，BNT (Na0.5Bi0.5Ti03)，BT (BaT13)以及高溫鉍層狀陶瓷材料體系。Jaffe等人發(fā)現(xiàn)Pb (Zr, Ti)O3(PZT)陶瓷在一個狹窄的成分區(qū)表現(xiàn)出優(yōu)異的電學性能，這個區(qū)域是四方相區(qū)與菱方相區(qū)的分界線，而被命名為準同型相界(MPB)。將這個概念引入無鉛壓電領域，由此發(fā)現(xiàn)了一系列的具有高壓電性能的復合陶瓷材料。但是，該材料體系的壓電性能沒有得到根本性的提聞。
[0004]近年來研究表明，壓電陶瓷中的晶粒沿某一方向取向生長后(晶粒中晶軸沿一定方向排列的陶瓷稱為“晶粒取向”或“織構化”)，其性能可以比晶粒自由生長陶瓷的性能大幅度提高，可以達到晶粒自由生長陶瓷的2倍左右，是同組分單晶性能的60%?80%，并且具有制備時間短、成本低的優(yōu)點，被譽為“窮人的單晶”。近年來被廣泛應用的壓電陶瓷晶粒取向生長技術主要包括定向凝固技術、多層晶粒生長技術、模板晶粒生長技術和反應模板晶粒生長技術。其中模板晶粒生長技術(TGG)和反應模板晶粒生長技術(RTGG)制備的樣品取向度高，被廣泛應用于制備取向生長的壓電陶瓷。傳統(tǒng)的模板晶粒生長技術主要是通過流延成型的工藝實現(xiàn)，其主要缺點是流延漿料的混料時間長，不利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的一個目的是在于提供一種具有300°C以上居里溫度，且壓電性能良好的無鉛型高織構化的壓電陶瓷材料。
[0006]本發(fā)明的另一個目的是在于提供一種操作簡單、成本低、適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)制備所述的織構化織構化壓電陶瓷材料的方法。
[0007]本發(fā)明提供了一種織構化壓電陶瓷材料，該織構化壓電陶瓷材料是由模板材料晶體和基體材料復合構成，具有001取向的Bi4Ti3O12' Naa5Bi45Ti4O15或Naa5Bia5T13模板材料晶體在基體材料中形成定向排列；所述的基體材料具有以下化學表達式:(l-x)Bi0.5Na0.5T13-XBaT13, x為0.03?0.09 ;所述的模板材料為基料質量的1%?30%。
[0008]優(yōu)選的織構化壓電陶瓷材料中模板材料為基體材料質量的5 %?15 %。
[0009]優(yōu)選的織構化壓電陶瓷材料中化學表達式中X為0.05?0.07。
[0010]本發(fā)明還提供了一種所述的織構化壓電陶瓷材料的制備方法，該制備方法包括以下步驟:
[0011]步驟一:制備模板材料晶體和基體材料薄片
[0012]I)、通過熔鹽法合成具有 001 晶體結構的 Bi4Ti3012、Naa5Bi4.5Ti4015*Na(l.5BiQ.5Ti03模板材料；
[0013]2)、通過固相反應法、水熱法、熔鹽法或溶膠凝膠法制備(1-X) Biα 5Na0.5Ti03—XBaT13基體材料粉體，再將所得基體材料粉體依次經(jīng)過粘塑性加工工藝和壓延工藝處理，得到厚度不大于100 μ m基體材料薄片；
[0014]步驟二:制備織構化壓電陶瓷材料坯體
[0015]將步驟一制得的模板材料晶體分散到有機溶劑中配制成漿料，所得漿料通過涂刷方式涂覆到步驟一所得的基體材料薄片表面在基體材料薄片表面形成一層具有定向排列的模板材料晶體層；再將多塊涂刷有模板材料晶體層的基體材料薄片疊加、熱壓成型，得到織構化壓電陶瓷材料坯體；
[0016]步驟三:制備織構化壓電陶瓷材料
[0017]將步驟二所得織構化壓電陶瓷材料坯體通過升溫排膠，等靜壓燒結，制得織構化壓電陶瓷材料。
[0018]本發(fā)明的織構化壓電陶瓷材料的制備方法還包括以下優(yōu)選方案:
[0019]優(yōu)選的制備方法中通過熔鹽法制備具有001晶體結構的Bi4Ti3O12模板材料過程為:將Bi2O3和1102粉體與熔鹽通過濕式球磨混合、烘干后，置于850?1150°C高溫下，保溫0.5?6小時，所得產(chǎn)物經(jīng)水洗，烘干，即得。
[0020]優(yōu)選的制備方法中通過熔鹽法制備具有001晶體結構的Natl 5Bi4 5Ti4O15模板材料過程為:將Na2CO3J12粉體、具有001晶體結構的Bi4Ti3O12模板材料與熔鹽通過濕式球磨混合、烘干后，置于800?1100°C高溫下，保溫I?8小時，所得產(chǎn)物經(jīng)水洗，烘干，即得。
[0021]優(yōu)選的制備方法中通過熔鹽法制備具有001晶體結構的Natl 5Bitl 5T13模板材料過程為:將Na2CO3^ T12粉體、具有001晶體結構的Naa5Bi45Ti4O15模板材料與熔鹽通過濕式球磨混合、烘干后，置于800?1100°C高溫下，保溫I?10小時，所得產(chǎn)物經(jīng)水洗，烘干，即得。
[0022]優(yōu)選的制備方法中熔鹽為NaCl和/或KCl ;最優(yōu)選為NaCl。
[0023]優(yōu)選的制備方法中濕式球磨采用的溶劑為無水乙醇。
[0024]優(yōu)選的制備方法中步驟二中采用刮刀或毛刷在涂刷過程中對漿料中的模板材料晶體施加一個剪切力，使模板材料晶體在基體材料薄片表面呈定向排列。
[0025]優(yōu)選的制備方法中熱壓成型是在基體材料薄片疊加垂直方向施加一個I?30MPa的壓力，在40?100°C溫度下進行壓制。最優(yōu)選為在基體材料薄片疊加垂直方向施加一個5?1MPa的壓力，在60?80°C溫度下進行壓制。
[0026]優(yōu)選的制備方法中的燒結溫度為1050?1250°C，時間為I?50h。最優(yōu)選為在1150 ?1175?，燒結 20 ?50h。
[0027]優(yōu)選的制備方法中采用的Bi203、T12, Na2CO3^ BaCO3> NaCl和KCl等原料都為市售的分析純原料。
[0028]優(yōu)選的制備方法中步驟一中采用的有機溶劑為乙醇。
[0029]優(yōu)選的制備方法中將多塊基體材料薄片疊加前，將基體材料薄片切成適當大小。
[0030]優(yōu)選的制備方法中排膠溫度為500?700°C ;最優(yōu)選為580?620°C。
[0031]本發(fā)明的涂刷有模板材料晶體層的基體材料薄片進行疊加時，根據(jù)所需厚度選擇合適的薄片塊數(shù)。將一定數(shù)量的涂刷有模板材料晶體層的基體材料薄片疊加到一定的高度，然后放入模具中，并且在模具外套上一個可以調控溫度的加熱裝置，然后將這個加有加熱裝置的模具至于單軸壓片機下，加熱、再保溫加壓，使薄片與薄片之間粘結在一起形成結構致密的織構化壓電陶瓷材料坯體。
[0032]所述的(1-x) Bia5Naa5T13-XBaT13基體材料的制備方法優(yōu)選為固相反應法。所述的固相法為:將Na2C03、Bi203和T12粉體原料通過球磨分散在有機溶劑中得到漿料，所得漿料烘干，預燒，進行二次球磨，進一步烘干、研磨，即得。所述預燒溫度為750?950°C，預燒時間為2?4h ;優(yōu)選的預燒溫度為840?860°C、預燒時間為I?3h。所述的球磨和二次球磨的時間均為24h。
[0033]優(yōu)選的制備方法中制得的織構化壓電陶瓷材料在不大于50_的厚度范圍可控。
[0034]本發(fā)明的有益效果:a)本發(fā)明的織構化壓電陶瓷材料的制備方法操作簡單、生產(chǎn)成本低，適合大批量的工業(yè)化生產(chǎn)山)制得的織構化壓電陶瓷材料中(1-x)Bia5Naa5Ti03—XBaT13陶瓷晶粒都沿一定方向生長，改變了普通燒結陶瓷晶粒物的取向性的不足，使陶瓷在性能上接近單晶所具有的性能；c)制得的織構化壓電陶瓷材料，織構度高達94%，居里溫度為300°C以上，電致應變性能可達0.5% (60kV/cm)，約合動態(tài)壓電系數(shù)為537pm/V。d)本發(fā)明制得的織構化壓電陶瓷材料在壓電傳感器、壓電電動機以及高精度位移控制等方面有很好的應用前景，推進了高電致應變材料的應用進展。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]【圖1】為實施例1制得的Bi4Ti3O12模板材料的掃描電鏡圖。
[0036]【圖2】為實施例1制得的Bi4Ti3O12模板材料的XRD圖。
[0037]【圖3】為實施例2制得的Naa5Bi45Ti4O15模板材料的掃描電鏡圖。
[0038]【圖4】為實施例2制得的Naa5Bi45Ti4O15模板材料的XRD圖。
[0039]【圖5】為實施例3制得的Naa5Bia5T13模板材料的掃描電鏡圖。
[0040]【圖6】為實施例3制得的Na。.5Bi0.5Ti03模板材料的XRD圖。
[0041]【圖7】為實施例3制得的0.93BNT-0.07BT陶瓷材料的掃描電鏡圖。

【具體實施方式】
[0042]下面通過具體實施例進一步描述本發(fā)明的技術方案。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。
[0043]實施例1
[0044]制備以Bi4Ti3O12為模板的織構化(λ 93BNT-0.07BT陶瓷。
[0045]稱取11.356g Bi2O3 粉體、2.607g T12 粉體，再稱取 15.358g NaCl 粉體，將所有粉體與無水乙醇球磨混合球磨24小時，將混合后的料烘干，裝入氧化鋁坩鍋放入爐子中1100°C保溫2小時，冷卻后放入布氏漏斗中用去離子水洗凈NaCl，烘干得到片狀Bi4Ti3O12模板。使用粘塑性加工工藝(VPP)以及壓延工藝得到厚度不大于ΙΟΟμπ!的0.93ΒΝΤ-0.07ΒΤ薄片生坯；將Bi4Ti3O12模板材料中的一種分散到酒精或者其他有機溶劑中，配成高濃度的漿料；用毛刷或者其他工具在0.93BNT-0.07BT生坯薄片的表面刷一層模板籽晶層；將膜片切割后疊片熱壓成型；將成型后的坯體排粘、等靜壓之后燒結得到織構化的0.93BNT-0.07BT陶瓷材料，其織構度為78%。
[0046]圖1說明了所制備的鈦酸鉍為明顯的片狀結構，并且大部分片狀尺寸達到10微米以上說明1000°C溫度使模板得到較充分的長大。
[0047]圖2說明了合成的片狀模板材料物相為單一的鈦酸鉍物相，所得的模板為純的鈦酸鉍模板。
[0048]實施例2
[0049]制備以Naa5Bi45Ti4O15為模板的織構化0.93BNT-0.07BT陶瓷。
[0050]以Na2CO3粉體、T12粉體、片狀Bi4Ti3O12前驅體以及熔鹽為原料，按照一定的化學計量比稱取原料，熔鹽的質量與Na2CO3粉體、T12粉體、片狀Bi4Ti3O12前驅體的總質量相等；將所有原料進行濕式球磨混合后烘干，然后于1050°C保溫4小時，最后用去離子水洗凈殘留的熔鹽，烘干得到片狀Naa5Bi45Ti4O15模板。使用粘塑性加工工藝(VPP)以及壓延工藝得到厚度不大于 100 μ m 的 0.93BNT-0.07BT 薄片生坯；將 Na。.5Bi4.5Ti4015 或者 Na。.5Bi0.5Ti03 模板材料中的一種分散到酒精或者其他有機溶劑中，配成高濃度的漿料；用毛刷或者其他工具在0.93BNT-0.07BT生坯薄片的表面刷一層模板籽晶層；將膜片切割后疊片熱壓成型；將成型后的坯體排粘、等靜壓之后燒結得到織構化的0.93BNT-0.07BT陶瓷材料，其織構度為80%。
[0051]將所得陶瓷材料樣品磨成厚度為0.45mm薄片，在薄片的上下表面被上Ag電極，在室溫下硅油中，測試所述織構化的0.93BNT-0.07BT陶瓷的性能，其電致應變高達0.5%(60kV/cm)，動態(tài)壓電系數(shù)為475pm/V。
[0052]圖3說明了所制備的Naa5Bi45Ti4Ojf晶為明顯的片狀結構，并且大部分片狀尺寸達到10微米以上說明1000°C溫度使模板得到較充分的長大。
[0053]圖4說明了合成的片狀模板材料物相為單一的Naa5Bi45Ti4O15物相，所得的模板為純的 Naa5Bi4.Ji4O15 模板。
[0054]實施例3
[0055]制備以Natl 5Bitl 5T13為模板的織構化0.93BNT-0.07BT陶瓷。
[0056]使用粘塑性加工工藝(VPP)以及壓延工藝得到厚度不大于ΙΟΟμπ!的(1-χ)ΒΝΤ-χΒΤ薄片生坯；將Naa5Bia5T13模板材料中的一種分散到酒精或者其他有機溶劑中，配成高濃度的漿料；用毛刷或者其他工具在(Ι-χ)ΒΝΤ-χΒΤ生坯薄片的表面刷一層模板籽晶層；將膜片切割后疊片熱壓成型；將成型后的坯體排粘、等靜壓之后燒結得到織構化的(1-χ)ΒΝΤ-χΒΤ陶瓷材料，其織構度為94%。
[0057]將所得陶瓷材料樣品磨成厚度為0.45mm薄片，在薄片的上下表面被上Ag電極，在室溫下硅油中，測試所述織構化的0.93BNT-0.07BT陶瓷的性能，其電致應變?yōu)?.32%(60kV/cm)，動態(tài)壓電系數(shù)為537pm/V。
[0058]圖5說明了所制備的Naa5Bia5T13籽晶為明顯的片狀結構，并且大部分片狀尺寸達到10微米以上說明1000°C溫度使模板得到較充分的長大。圖6可以看出(100)及(200)方向的峰有很高的衍射強度，而非(100)及(200)方向的峰衍射強度很低，說明了0.93BNT-0.07BT陶瓷產(chǎn)生了很明顯的取向性，產(chǎn)生了高的織構度。
[0059]圖7可以看出所制備的0.93BNT-0.07BT陶瓷都為片狀結構，并且沿一定方向整齊排列，說明片狀結構明顯并且片狀一致躺倒，產(chǎn)生了高的織構度。
[0060]從實施例1?3中可以看出:將實施例1?3制得的陶瓷材料樣品磨成厚度為0.45mm薄片,在薄片的上下表面被上Ag電極,在室溫娃油中，60kV/cm的電壓下測試其電致應變，當模板含量為20 %時織構度高達94%，但此時由于化學組分偏移導致電致應變性能較低。當模板含量為5 %時織構度達70 %電致應變性能為0.5 % (60kV/cm)，動態(tài)壓電系數(shù)為537pm/V。這表明晶粒的取向和化學組分決定了陶瓷的電致應變性能，雖然模板含量為5%時陶瓷的織構度未達到最大值，但是此時取得了最佳性能。
【權利要求】
1.一種織構化壓電陶瓷材料，由模板材料晶體和基體材料復合構成，其特征在于，具有OOl取向的Bi4Ti3012、Naa5Bi45Ti4O15或Naa5Bia5T13模板材料晶體在基體材料中形成定向排列； 所述的基體材料具有以下化學表達式=(1-X)Bia5Naa5T13-XBaT13, x為0.03?0.09 ； 所述的模板材料為基料質量的I %?30 %。
2.如權利要求1所述的織構化壓電陶瓷材料，其特征在于，所述的模板材料為基體材料質量的5%?15%。
3.如權利要求1所述的織構化壓電陶瓷材料，其特征在于，化學表達式中X為0.05?0.07。
4.權利要求1?3任一項所述的織構化壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:制備模板材料晶體和基體材料薄片 1)、通過熔鹽法合成具有001晶體結構的Bi4Ti3O12'Naa5Bi45Ti4O15或Naa5Bia5T13模板材料； 2)、通過固相反應法、水熱法、熔鹽法或溶膠凝膠法制備(1-X)Bia5Naa5T13-XBaT13基體材料粉體，再將所得基體材料粉體依次經(jīng)過粘塑性加工工藝和壓延工藝處理，得到厚度不大于100 μ m基體材料薄片； 步驟二:制備織構化壓電陶瓷材料坯體 將步驟一制得的模板材料晶體分散到有機溶劑中配制成漿料，所得漿料通過涂刷方式涂覆到步驟一所得的基體材料薄片表面在基體材料薄片表面形成一層具有定向排列的模板材料晶體層；再將多塊涂刷有模板材料晶體層的基體材料薄片疊加、熱壓成型，得到織構化壓電陶瓷材料坯體； 步驟三:制備織構化壓電陶瓷材料 將步驟二所得織構化壓電陶瓷材料坯體通過升溫排膠，等靜壓燒結，制得織構化壓電陶瓷材料。
5.如權利要求4所述的制備方法，其特征在于，通過熔鹽法制備具有001晶體結構的Bi4Ti3O12模板材料過程為:將Bi2O3和T12粉體與熔鹽通過濕式球磨混合、烘干后，置于850?1150°C高溫下，保溫0.5?6小時，所得產(chǎn)物經(jīng)水洗，烘干，即得； 通過熔鹽法制備具有001晶體結構的Naa5Bi45Ti4O15模板材料過程為:將Na2CO3^ T12粉體、具有001晶體結構的Bi4Ti3O12模板材料與熔鹽通過濕式球磨混合、烘干后，置于800?1100°C高溫下，保溫I?8小時，所得產(chǎn)物經(jīng)水洗，烘干，即得； 通過熔鹽法制備具有001晶體結構的Naa5Bia5T13模板材料過程為:將Na2CO3J12粉體、具有001晶體結構的Naa5Bi45Ti4O15模板材料與熔鹽通過濕式球磨混合、烘干后，置于800?1100°C高溫下，保溫I?10小時，所得產(chǎn)物經(jīng)水洗，烘干，即得。
6.如權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述的熔鹽為NaCl和/或KC1。
7.如權利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟二中采用刮刀或毛刷在涂刷過程中對漿料中的模板材料晶體施加一個剪切力，使模板材料晶體在基體材料薄片表面呈定向排列。
8.如權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述的熱壓成型是在基體材料薄片疊加垂直方向施加一個I?30MPa的壓力，在40?100°C溫度下進行壓制。
9.如權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述的燒結溫度為1050?1250°C，時間為I?50h。
10.如權利要求4所述的制備方法，其特征在于，(1-X)Bia5Naa5T13-XBaT13基體材料通過固相反應法制得。
【文檔編號】C04B35/622GK104402432SQ201410592673
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月29日 優(yōu)先權日:2014年10月29日
【發(fā)明者】張斗, 姜超, 周學凡, 周科朝, 李志友 申請人:中南大學