阅读说明：本技术 一种钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其制备方法 (Sodium bismuth titanate-based lead-free piezoelectric ceramic and preparation method thereof ) 是由 杜毅 王佳佳 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其制备方法,所述钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的化学计量比为：(1-x)Bi<Sub>0.5</Sub>(Na<Sub>0.48</Sub>K<Sub>0.52</Sub>)<Sub>0.5</Sub>TiO<Sub>3</Sub>-xBaZrO<Sub>3</Sub>,其中x=0,0.03,0.06,0.09。制备方法包括：将Bi<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>,K<Sub>2</Sub>CO<Sub>3</Sub>,Na<Sub>2</Sub>CO<Sub>3</Sub>,TiO<Sub>2</Sub>,ZrO<Sub>2</Sub>粉末按照化学计量比进行配料,经过球磨、烘干后,在850℃预烧2.5h得到预烧粉,再经过二次球磨、烘干、造粒、压片、排胶后,于1100℃烧结,最后经过被银和极化,制得高致密度的陶瓷片。本发明通过将锆元素掺杂在钛酸铋钠基无铅压电陶瓷中,并对烧结工艺进行改进,提高了压电陶瓷的致密度及介电性能,使得所制钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的介电常数最高可达ε<Sub>r(The invention discloses a sodium bismuth titanate based lead-free piezoelectric ceramic and a preparation method thereof, wherein the stoichiometric ratio of the sodium bismuth titanate based lead-free piezoelectric ceramic is (1-x) Bi 0.5 (Na 0.48 K 0.52 ) 0.5 TiO 3 -xBaZrO 3 , wherein x =0, 0.03, 0.06 and 0.09. the preparation method comprises the steps of proportioning Bi 2 O 3 , K 2 CO 3 and Na 2 CO 3 2 2 powder according to the stoichiometric ratio, carrying out ball milling and drying, presintering at 850 ℃ for 2.5h to obtain pre-sintered powder, carrying out secondary density milling, drying, granulating, tabletting and glue discharging, sintering at 1100 ℃, finally carrying out silver coating and polarization to obtain a high-density ceramic chip.)

一种钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其制备方法，属于新型无铅基功能陶瓷领域。

背景技术

压电陶瓷是一种重要的功能陶瓷，可以用于实现将机械能与电能之间的相互转化，广泛应用于传感器，换能器，驱动器，变压器等领域。但是目前市场大规模使用的依旧是锆钛酸铅基（PZT）压电陶瓷。众所周知，含铅物具有毒性，在使用和处理过程中对人体和环境都会造成危害及污染。因此，研究和应用无铅的、环境友好且性能良好的压电陶瓷是很有价值和意义的。

无铅压电材料中，钛酸铋钠（Bi_0.5Na_0.5TiO₃，简称BNT）因其具有较高的剩余极化强度以及居里温度，被认为是最有希望取代铅基压电陶瓷的无铅体系之一。但总体来说，钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的介电性能方面仍需进行改进。专利CN109574656A提出一种高储能钛酸铋钠-钛酸锶钡基介质材料及其制备方法，但是所用的原料种类较多，价格昂贵，实验过程相对复杂，不适合大规模的工业化生产。专利CN108147813A提出一种高压电系数钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其制备方法，其特征在于通过Rb等价掺杂的方法，使其具有比纯BNT陶瓷更加优异的烧结特性和压电性能，但所得材料的介电性能较差，使得应用方面不够广泛。

为了进一步提高钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的介电性能，通常采用添加第二组元的方法进行掺杂改性。本发明采用了对BNT体系进行Zr⁴⁺等价掺杂的方法，对其介电性能进行改进，推进了无铅压电陶瓷的进一步发展。

发明内容

1.针对上述问题，本发明的目的是制备具有高介电系数的钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，旨在提供一种陶瓷生坯烧结方法，有效改善BNT陶瓷的烧结性能和介电性能。

2.为实现上述技术目的，本发明技术方案为：

本发明的一种钛酸铋钠基无铅压电陶瓷及其制备方法，主要原料包括Bi₂O₃，K₂CO₃，Na₂CO₃，TiO₂，ZrO₂，其原料组分及其摩尔百分比含量为（1-x)Bi_0.5(Na_0.48K_0.52)_0.5TiO₃-xBaZrO₃，其中x=0，0.03，0.06，0.09。其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

（1）配料

根据(1-x)Bi_0.5(Na_0.48K_0.52)_0.5TiO₃-xBaZrO₃的化学计量比称取原料Bi₂O₃，K₂CO₃，Na₂CO₃，TiO₂，ZrO₂。进行配料，将配好的原料放入以无水乙醇为介质、氧化锆球为磨球的尼龙罐中进行球磨，获得混合均匀的粉料。将球磨后的浆料于60℃的烘箱中烘干24h；

（2）预烧

将烘干后的粉料进行研磨并过筛后置于氧化铝坩埚中，在850℃马弗炉中预烧2.5h，得到预烧粉料，将所得粉料置于球磨机中进行二次球磨并烘干；

（3）造粒压片

将步骤（2）所得粉料过筛后，按照质量百分比5wt%加入聚乙烯醇（PVA），充分研磨在，得到颗粒均匀的粉料。将所得的粉料压制成直径为12mm，厚度为0.8-1.2mm的圆柱生坯；

（4）排胶

将步骤（3）所得生坯置于氧化铝坩埚中，并在550℃马弗炉中进行排胶，升温速率为2℃/min，保温时间为30min，其后随炉自然冷却；

（5）烧结

将步骤（4）所得的陶瓷片，用同组分预烧粉进行埋粉后进行烧结，烧结制度为首先从室温以3℃/min的速率升温到850℃，保温2.5h,再以2℃/min升温到1100℃并保温3h，其后随炉自然冷却，最终制得钛酸铋钠基无铅压电陶瓷样品；

（6）被银极化

对步骤（5）所制的陶瓷样品进行打磨抛光，并在两面均匀涂上中温银浆，在550℃下保温30min烧成银电极。将被银后的陶瓷片置于硅油浴中进行极化，即得到(1-x)Bi_0.5(Na_0.48K_0.52)_0.5TiO₃-xBaZrO₃无铅压电陶瓷。

3.根据权利要求2所述的一种高介电系数钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于步骤（1）中所述的料：球：水（乙醇）比为1:2:1.5。

4.根据权利要求2所述的一种高介电系数钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于步骤（1）和（2）中的球磨机的转速均为300r/min,球磨时间均为15h。

5. 根据权利要求2所述的一种高介电系数钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于步骤（2）中的预烧时间为2.5h。

6. 根据权利要求2所述的一种高介电系数钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于步骤（4）中压制生坯时的压强为25Mpa，保压时间为1min。

7. 根据权利要求2所述的一种高介电系数钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于步骤（6）中的极化时间为30min，极化电场为4-6kV/mm。

研究发现，烧结制度对BNT无铅压电陶瓷的烧结特性及电性能有很大影响，本发明用以上的技术方案，通过改进烧成制度曲线，可以制得致密度很高的陶瓷片。

本发明的有益效果：

（1）通过本发明的无铅压电陶瓷粉体的制备方法制得的BNT陶瓷片致密度均在92%以上，相比传统固相烧结法致密度提高8%以上。（2）通过本发明制备的BNT基无铅压电陶瓷具有良好的电性能，其介电常数ε_r=2945，介电损耗tanδ=6.2%，T_C=372℃，机电耦合系数k_p=27.2%。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明做进一步阐述：

图1是(1-x)Bi_0.5(Na_0.48K_0.52)_0.5TiO₃-xBaZrO₃体系陶瓷样品的XRD图。

图2是(1-x)Bi_0.5(Na_0.48K_0.52)_0.5TiO₃-xBaZrO₃体系陶瓷样品的介电温谱图。