低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料及制法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于無鉛壓電材料領(lǐng)域，涉及一種低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料及制法和應(yīng)用，該無鉛壓電陶瓷材料，其化學(xué)成份符合化學(xué)通式(1-x)[(1-a)BNT-aBKT)]-xBT；0.16≤a≤0.22，0≤x≤0.10；其制備包括以下步驟：1)制備相應(yīng)的基料與模板；2)將模板與基料按一定比例配料置于球磨罐中，加入溶劑后輥磨制得漿料；將漿料流延后獲得膜片；將膜片切割后疊片熱壓成型；取出壓好的樣品熱處理，得到取向良好的無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該制備方法得到的無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料取向度高，致密度高，低電場下具有大的應(yīng)變響應(yīng)，應(yīng)變性能優(yōu)越，可廣泛用于壓電傳感器、壓電電動機以及高精度位移控制器等方面。
【專利說明】低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料及制法和應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無鉛壓電材料領(lǐng)域，尤其涉及一種無鉛壓電（1-X) [ (1-a) BNT-aBKT) ] -xBT織構(gòu)陶瓷材料及該無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料織構(gòu)化的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 壓電材料是一種無機材料，是一種實現(xiàn)機械能和電能相互轉(zhuǎn)換的電子信息材料， 在電、磁、力、熱等功能器件中有著舉足輕重的作用。隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，材料的制備 技術(shù)、研究方法和測試手段得到了大幅度發(fā)展，使得壓電材料的性能得到了極大的提高，進 一步促進了以壓電材料為基礎(chǔ)的功能器件在高【技術(shù)領(lǐng)域】的發(fā)展和應(yīng)用價值。目前鉛基的壓 電材料，例如鋯鈦酸鉛（Pb(Ti，Zr)0 3, PZT)，由于其優(yōu)異的電性能特別是壓電性能，成為應(yīng) 用最為廣泛的材料，但是鉛基的壓電材料在制備加工過程中造成環(huán)境的嚴重污染，給人類 的身體健康帶來災(zāi)害。因此基于保護生態(tài)環(huán)境的需要和人類的健康迫切需求，研究開發(fā)環(huán) 境友好型的無鉛壓電材料取代鉛基材料已經(jīng)是一項緊迫而有重要現(xiàn)實意義的任務(wù)。
[0003] 目前，在改善無鉛壓電材料的性能方面已經(jīng)取得了一定的發(fā)展，但是總的來說，現(xiàn) 在還沒有一種無鉛壓電材料能完全取代鉛基材料，因此還需要做深入的研究和探索，進一 步促進無鉛壓電材料的實用化發(fā)展。目前陶瓷的制備方法主要集中在傳統(tǒng)的固相反應(yīng)上 面，材料的性能已經(jīng)達到瓶頸，很難有大的提高，因此，許多學(xué)者通過控制材料的結(jié)構(gòu)來改 變性能，其中最多的就是壓電材料的織構(gòu)化。鈦酸鉍鈉由于具有豐富的相變過程，導(dǎo)致材 料呈現(xiàn)出優(yōu)越的電致應(yīng)變，最近幾年來受到各國學(xué)者的廣泛關(guān)注，其基本出發(fā)點集中在引 入具有把相變溫度調(diào)控到室溫的第二元和第三元，以此來提高材料的應(yīng)變特性。Shan-Tao Zhang 在 BNT 的基礎(chǔ)上引入了 BT 和 KNN，構(gòu)筑了（l-x-yWiuNa^TiOfxBaTiOfyKuNauNb 〇3三元體系，通過組分的優(yōu)化，電致應(yīng)變在X = 0.06,y = 0.02處取得最大值0.45%，相應(yīng) 的動態(tài)壓電系數(shù)為 560pm/V。（[Shan-Tao Zhang，Alain Brice Kounga，and Emil Aulbach. Giant strain in lead-free piezoceramics Bi0 5Na0 5Ti03-BaTi03-K0 5Na0 5Nb03System. APPLIED PHYSICS LETTERS91，112906(2007))。然而目前通過傳統(tǒng)的固相燒結(jié)技術(shù)制備的 BNT基陶瓷材料存在兩個明顯的缺點，一方面性能提升幅度不大，基本上都在600pm/V以 下，另一方面，大的應(yīng)變響應(yīng)需要較高的電場，一般都在60kV/cm以上，這就嚴重影響了材 料的實用化。
[0004] 通過微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控后，材料的性能得到了大幅度的提升，學(xué)者Maurya et al 采用BNT模板制備了 BNT-BT織構(gòu)材料，其壓電系數(shù)達到了 322pC/N，幾乎是隨機取 向材料的 2 倍(Deepam Maurya*, Yuan Zhou, Yongke Yan and Shashank Priya*, Na〇 5Bi〇 5Ti03-BaTi03ceramics with giant piezoelectric response, J. Mater. Chem. C, 2013,1,2102-2111)，進一步揭示微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控是材料的提升性能的有效方式。最近，學(xué) 者Teranishi et al制備了 BNT-BKT-BT單晶材料，在低電場下（40kV/cm)獲得了驚人的 電致應(yīng)變，其值達到了 0. 87%，幾乎是PZT材料的六倍（Shunsuke Teranishi，Muneyasu Suzuki, Yuji Noguchi, Masaru Miyayama, Chikako Moriyoshi, Yoshihiro Kuroiwa, Katsunori Tawa,and Shigeo Mori, Giant strain in lead-free,, (Bi〇 5Na〇 5)Ti03-based single crystals，APPLIED PHYSICS LETTERS92,182905, 2008)，這就揭示了 BNT 基材料經(jīng) 過取向后在某一個方向上性能會有大幅度的提升，然而單晶具有其組分控制難、生產(chǎn)成本 昂貴以及周期長等顯著的缺點，限制了其實用化的發(fā)展。織構(gòu)化陶瓷材料同時具有了單晶 的優(yōu)勢和陶瓷材料成本低的特點，因而受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。本發(fā)明運用BT模板結(jié)合流延 成型模板晶粒生長技術(shù)制備了 BNT-BKT-BT織構(gòu)材料，期望實現(xiàn)類似于單晶材料在低電場 下獲得大的應(yīng)變響應(yīng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種低電場下大應(yīng) 變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料及制法和應(yīng)用。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu) 陶瓷材料，其特征在于，該材料的化學(xué)成份符合化學(xué)通式（1-x) [(l-a)BNT-aBKT)]-xBT ;其 中 0· 16 < a < 0· 22,0< X < 0· 10。
[0007] 優(yōu)選的，所述化學(xué)通式中a = 0· 17, X = 0· 01。
[0008] 低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包括以下 步驟：
[0009] (1)制備基料：制備（l-a)BNT-aBKT粉體基料，其中0· 16彡a彡0· 22 ;
[0010] ⑵制備模板：運用雙重熔鹽法制備BaTi03片狀粉體模板；
[0011] (3)將獲得的模板與基料按一定的比例配料并置于球磨罐中，加入溶劑，輥磨 10-24小時，再加入粘結(jié)劑繼續(xù)輥磨3-6小時，制得漿料；
[0012] (4)取出制得的漿料，使用流延刮刀在玻璃板上進行流延；流延后平放靜置，用刀 片將膜片從玻璃板上刮下；將膜片切割后疊片熱壓成型，取出壓好的樣品依次進行排粘、等 靜壓、熱處理，得到取向良好的（1-x) [(l-a)BNT-aBKT)]-xBT無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料，即為 所述低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料。
[0013] 步驟⑴所述的（l-a)BNT-aBKT粉體基料采用固相反應(yīng)法制得，即采用NaC03、 KC03、Bi203和Ti02為原料，先按照（Bi Q.5NaQ.5Ti)03中Na、Bi和Ti元素的化學(xué)計量比稱取 NaC03、Bi203和Ti02，依次經(jīng)配料、混料、預(yù)壓和熱處理步驟制備獲得（Bi Q.5NaQ.5Ti)03基料； 再按照（Bi Q.5KQ.5Ti)03中Bi、K和Ti元素的化學(xué)計量比稱取KC0 3、Bi203和Ti02，依次經(jīng)配 料、混料、預(yù)壓和熱處理步驟制備獲得（Bi Q.5KQ.5Ti)03基料；最后按照（1-a) (Bia5NaQ.5Ti) 03-a(BiQ.5KQ.5Ti)0 3 中（BiQ.5NaQ.5Ti)03 和（BiQ.5KQ.5Ti)03 的配比將基料（BiQ.5NaQ.5Ti)0 3 和 (Bia5Ka5Ti)03基料進行混合后烘干即可；其中，（Β? α5Ν&(ι.5--)03的熱處理溫度為850°C， (Bi Q.5KQ.5Ti)03的熱處理溫度為900°C。
[0014] 步驟（2)所述BaTi03片狀粉體模板通過雙重熔鹽法制得具體為：第一步，采用 Bi203、Ti02和NaCl為原料，通過熔鹽法制得Bi4Ti 3012片狀粉體模板；第二步以第一步獲得 的Bi4Ti30 12片狀粉體模板、BaC03和NaCl為原料，通過熔鹽法制得BaTi03片狀粉體模板。
[0015] 所述的第一步的Bi203、Ti02和NaCl的配比如下：按照Bi 4Ti3012片狀粉體模板的 化學(xué)計量比，Bi20 3的質(zhì)量過量12%，NaCl質(zhì)量是Bi203和Ti02總質(zhì)量的1. 1倍；第二步的 Bi4Ti3012片狀粉體模板、BaC03和NaCl的配比如下：Bi 4Ti3012和BaC03的物質(zhì)的量的比例為 1 : 7· 5, NaCl的質(zhì)量是Bi4Ti3012和BaC03總質(zhì)量的L 1倍。
[0016] 步驟（3)所述模板物質(zhì)量占模板與基料總物質(zhì)量的1% -?ο%。
[0017] 步驟（3)所述模板物質(zhì)量占模板與基料總物質(zhì)量的1%。
[0018] 步驟⑶所述溶劑為無水乙醇與甲苯的混合溶液；所述溶劑的加入量為每l〇g模 板和基料的總重量對應(yīng)加入4-6g無水乙醇和5-9g甲苯；最佳選擇無水乙醇為5g，甲苯為 6. 5g〇
[0019] 步驟⑶所述粘結(jié)劑的加入量為每l〇g模板和基料的總重量對應(yīng)加入4-7g粘結(jié) 齊U ;最佳選擇為5. 5g。
[0020] 步驟⑶加入溶劑進行輥磨采用每分鐘60轉(zhuǎn)，輥磨時間為12-15小時；加入粘結(jié) 劑進行輥磨采用每分鐘40轉(zhuǎn)，輥磨時間為4小時。
[0021] 步驟（4)所述的流延的速度是3cm/s_10cm/s，最佳選擇是6cm/s ;
[0022] 所述的流延刮刀與玻璃板的高度是100-300 μ m，最佳選擇是200 μ m ;流延后平放 靜置2-4小時，最佳選擇是3小時；
[0023] 所述熱壓成型的溫度為60_100°C，優(yōu)選為70°C ;熱壓成型的壓力為40MPa_80MPa， 優(yōu)選為70MPa ;
[0024] 所述的樣品進行排粘后，進行等靜壓，等靜壓的時間是10min-30min，優(yōu)選是 lOmin ;壓力大小為 100MPa-300MPa，優(yōu)選是 200MPa ;
[0025] 所述的熱處理是米用的是兩步燒結(jié)方式，第一步溫度是900-1150 °C，時間是 2-10h，優(yōu)選為1KKTC和4h ;第二步溫度是1150-1250°C;熱處理的保溫時間為是10_50h，優(yōu) 選為1175°C和50h ;熱處理在硅碳棒爐中進行。
[0026] 步驟4)中，上述所述疊片熱壓成型是指將流延靜置后的膜切成1. 15cmXl. 15cm 的片，將一定數(shù)量的這些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(diào)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，加熱到 60-100°C，壓力大小是40MPa-80MPa，，反復(fù)進行4次，保溫保壓時間為1小時，使疊的片能夠 均勻致密的粘結(jié)在一起成為一個致密的片狀生坯。此處制備塊狀樣品需要一個與沿片狀方 向相垂直的力，使片與片之間的產(chǎn)生良好的面結(jié)合。
[0027] 所述的無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料應(yīng)用于壓電傳感器、壓電電動機以及高精度位移控 制中。
[0028] 本發(fā)明采用同質(zhì)鈦酸鋇模板和（1-a) 的粉體基 料，通過流延工藝制備了復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)織構(gòu)化的無鉛壓電陶瓷材料。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用片狀的鈦酸鋇做模板，運用流延結(jié)合兩步燒結(jié)來實 現(xiàn)（1-x) [(l-a)BNT-aBKT)]-xBT陶瓷的織構(gòu)化，簡單可行，能夠制備出一種低電場下具有 大的應(yīng)變響應(yīng)的無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料，從而克服了傳統(tǒng)材料隨機生長，性能受限的科學(xué) 難題，具有以下優(yōu)點：
[0030] 1流延技術(shù)為陶瓷工業(yè)中成熟廣泛應(yīng)用的技術(shù)，制備成本低、工藝簡單、適合大批 量的工業(yè)化生產(chǎn)。
[0031] 2與現(xiàn)有的普通技術(shù)相比，（1-X) [(l-a)BNT-aBKT)]-xBT陶瓷織構(gòu)化的無鉛壓電 陶瓷材料表現(xiàn)出良好的取向度，織構(gòu)度可以達到87%，克服了傳統(tǒng)工藝的隨機取向和類似 技術(shù)中取向度低的難題。
[0032] 3與類似的技術(shù)相比，（1-x) [(l-a)BNT-aBKT)]_xBT陶瓷織構(gòu)化的無鉛壓電陶瓷 材料表現(xiàn)出優(yōu)越的致密性，達到理論密度的96%，克服了類似織構(gòu)技術(shù)中致密性低的難題。
[0033] 4等靜壓，流延，兩步燒結(jié)工藝結(jié)合，（1-x) [(l-a)BNT-aBKT)]-xBT織構(gòu)化的無鉛 壓電陶瓷材料表現(xiàn)出良好的取向度，優(yōu)越的致密性，和高的壓電性能，應(yīng)變可高達〇. 36%。
[0034] 5與目前的BNT基材料相比較，（1-x) [ (1-a) BNT-aBKT) ] -xBT織構(gòu)化的無鉛壓電 陶瓷材料在低的電場下具有大的應(yīng)變響應(yīng)，所施加的電場降低到了 45kV/cm，應(yīng)變響應(yīng)達到 0. 36%，動態(tài)壓電系數(shù)達到了 800pm/V。
[0035] 6本發(fā)明的（1-x) [ (1-a) BNT-aBKT) ] -xBT織構(gòu)化的無鉛壓電織構(gòu)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的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
[0036] 7本發(fā)明的（1-x) [(l-a)BNT-aBKT)]_xBT織構(gòu)化的無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料可廣泛 應(yīng)用于壓電傳感器、壓電電動機以及高精度位移控制中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037] 圖1實施例1中模板含量為lmol %織構(gòu)化0· 8217BNT-0. 1683BKT-0. 01BT的XRD 圖譜；
[0038] 圖2實施例1中模板含量為lmol%織構(gòu)化0. 8217BNT-0. 1683BKT-0. 01BT的應(yīng)變 曲線；
[0039] 圖3實施例2中模板含量為5mol %織構(gòu)化0. 7885BNT-0. 1615BKT-0. 05BT的XRD 圖譜；
[0040] 圖4實施例3中模板含量為lOmol%織構(gòu)化0· 747BNT-0. 153BKT-0. 1BT的XRD圖 譜。

【具體實施方式】
[0041] 以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書 所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實 施方式加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離 本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
[0042] 實施例1 :
[0043] 0·83(Β?α5Ν&α5)--0 3-0· lHBiaUTiOs 基料的制備：采用 NaC03、KC03、Bi203 和 Ti02為原料，先按照（BiQ.5NaQ. 5Ti)03中Na、Bi和Ti元素的化學(xué)計量比稱取NaC03、Bi20 3 和Ti02，依次經(jīng)配料、混料、預(yù)壓和熱處理步驟制備獲得（Β?α5Ν&α5)--0 3基料；再按照 (Bia5KQ.5)Ti0 3中Bi、K和Ti元素的化學(xué)計量比稱取KC03、Bi203和Ti0 2，依次經(jīng)配料、混料、 預(yù)壓和熱處理步驟制備獲得（Β?α5Κα5)--0 3基料；(BiO. 5NaO. 5)Ti03的熱處理溫度為850°C 保溫時間為4h，（Bia 5Κα 5) Ti03的熱處理溫度為900°C，保溫時間為4h。按照0. 83 (Bia 5NaQ. 5) Ti03-0. 學(xué)計量比稱量合成的（Bi0.5Na(X5Ti)0jP (BiQ.5KQ.5)Ti03。
[0044] 稱取 9. 8907g 上述制備的 0· 83(BiQ.5NaQ.5)Ti03-0· 17(Bia5KQ.5)Ti03 基料，然后稱取 0. 1093g鈦酸鋇模板，加入6. 5g甲苯和5g無水乙醇棍磨12小時后，加入5. 5g粘結(jié)劑繼續(xù) 輥磨4小時，制得漿料；取出制好的漿料，使用流延刮刀在玻璃板上進行流延，流延速度為 6cm/s，刮刀高度為200 μ m ;流延后平放靜置3小時后，將膜片從玻璃板上刮下；將膜片切割 成11. 5mmX 11. 5mm的方片后疊片在70°C熱壓成型，熱壓壓力為70Mpa，保溫保壓1小時；將 成型后的坯體在550°C排粘，然后再進行等靜壓，壓力大小為200Mpa保壓10分鐘，最后在硅 碳棒爐中進行熱處理，熱處理是采用的是兩步燒結(jié)方式，第一步溫度時間為1KKTC和4h; 第二步溫度為1175°C和50h，制備出取向度良好的織構(gòu)化的0. 8217BNT-0. 1683BKT-0. 01BT 無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料。
[0045] 圖1是模板含量為lmol%時0· 8217BNT-0. 1683BKT-0. 01BT織構(gòu)化無鉛壓電材料 的XRD圖譜。從圖上可以看出，〈001>衍射峰的相對強度較隨機取向材料有明顯的增強，表 明材料引入BT模板后產(chǎn)生了取向。經(jīng)過對材料XRD圖普的計算，其Lotgering's factor f = 72%。
[0046] 圖2是模板含量為lmol%時(λ 8217BNT-0. 1683BKT-0. 01BT織構(gòu)化無鉛壓電材料 的雙向應(yīng)變曲線。可以觀察到兩個明顯的特點，一個是材料獲得了大的應(yīng)變響應(yīng)，其S = 0. 36%，另一個是材料施加的電場降低到45kV/cm，動態(tài)壓電系數(shù)Smax/Emax達到了 800pm/V， 這是本發(fā)明最大的優(yōu)勢，即織構(gòu)材料低電場下實現(xiàn)了大的應(yīng)變響應(yīng)。
[0047] 實施例2 :
[0048] 稱取 9. 4557g 上述制備的 0· 83 (Bia 5NaQ. 5) Ti03-0. 17 (Bia 5KQ. 5) Ti03 基料，然后稱取 0. 5443g鈦酸鋇模板，加入6. 5g甲苯和5g無水乙醇棍磨12小時后，加入5. 5g粘結(jié)劑繼續(xù) 輥磨4小時，制得漿料；取出制好的漿料，使用流延刮刀在玻璃板上進行流延，流延速度為 6cm/s，刮刀高度為200 μ m ;流延后平放靜置3小時后，將膜片從玻璃板上刮下；將膜片切割 成11. 5mm的方片后疊片在70°C熱壓成型，熱壓壓力為70Mpa，保溫保壓1小時；將 成型后的坯體在550°C排粘，然后再進行等靜壓，壓力大小為200Mpa保壓10分鐘，最后在硅 碳棒爐中進行熱處理，熱處理是采用的是兩步燒結(jié)方式，第一步溫度時間為1KKTC和4h; 第二步溫度為1175°C和50h，制備出取向度良好的織構(gòu)化的0. 7885BNT-0. 1615BKT-0. 05BT 無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料。
[0049] 圖3是模板含量為5mol%時(λ 7885BNT-0. 1615BKT-0. 05BT無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材 料的XRD圖譜?？梢钥闯?，獲得了單一的鈣鈦礦相，沒有產(chǎn)生明顯的第二相?！?01>衍射峰 的強度相對隨機取向材料有了明顯的增強，而其他衍射峰則明顯降低，揭示材料產(chǎn)生了明 顯的取向，形成了織構(gòu)化材料。經(jīng)過對材料XRD圖普的計算，其Lotgering's factor f = 87 %。
[0050] 實施例3 :
[0051] 稱取 8. 9165g 上述制備的 0· 83 (Bia 5NaQ. 5) Ti03-0· 17 (Bia 5KQ. 5) Ti03 基料，然后 稱取1. 〇835g鈦酸鋇模板，加入6. 5g甲苯和5g無水乙醇棍磨12小時后，加入5. 5g粘 結(jié)劑繼續(xù)輥磨4小時，制得漿料；取出制好的漿料，使用流延刮刀在玻璃板上進行流延， 流延速度為6cm/s，刮刀高度為200 μ m ;流延后平放靜置3小時后，將膜片從玻璃板上刮 下；將膜片切割成11.5mm*11.5mm的方片后疊片在70°C熱壓成型，熱壓壓力為70Mpa，保 溫保壓1小時；將成型后的坯體在550°C排粘，然后再進行等靜壓，壓力大小為200Mpa保 壓10分鐘，最后在硅碳棒爐中進行熱處理，熱處理是采用的是兩步燒結(jié)方式，第一步溫度 時間為1KKTC和4h ;第二步溫度為1175°C和50h，制備出取向度良好的織構(gòu)化的無鉛壓電 0· 747BNT-0. 153BKT-0. 1BT 織構(gòu)陶瓷材料。
[0052] 圖4是模板含量為10mol%時0. 747BNT-0. 153BKT-0. 1BT無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料 的XRD圖譜?！?01>衍射峰的相對強度較隨機取向材料有一定程度的增強，說明材料產(chǎn)生了 一定的取向。經(jīng)過對材料XRD圖普的計算，其Lotgering' s factor f = 53%。
[0053] 實施例4
[0054] 低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包括以下 步驟：
[0055] (1)制備基料：制備（l-a)BNT-aBKT粉體基料，其中a = 0. 16 ;采用固相反應(yīng)法 制得，即采用NaC03、KC03、Bi20 3和Ti02為原料，先按照（BiQ.5NaQ. 5Ti)03中Na、Bi和Ti元 素的化學(xué)計量比稱取NaC03、Bi 203和Ti02，依次經(jīng)配料、混料、預(yù)壓和熱處理步驟制備獲得 (Bi a5NaQ.5Ti)03基料；再按照（BiQ. 5KQ.5Ti)03中Bi、K和Ti元素的化學(xué)計量比稱取KC0 3、 Bi203和Ti02，依次經(jīng)配料、混料、預(yù)壓和熱處理步驟制備獲得（Β? α5Κα5--)03基料；最后按 照（1-a) (BiuNa^Ti^-a^uK^Ti^ 中（BiQ.5NaQ.5Ti)03和（Bi Q.5KQ.5Ti)03 的配比將基料 (Bia5Naa5Ti)〇dP (BiuUiM基料進行混合后烘干即可；其中，（Bia5Naa5Ti)03的熱處 理溫度為850°C，（Β? α5Κα5--)03的熱處理溫度為900°C。
[0056] (2)制備模板：運用雙重熔鹽法制備8&1103片狀粉體模板；具體為：第一步，采用 Bi203、Ti02和NaCl為原料，按照Bi4Ti 3012片狀粉體模板的化學(xué)計量比，Bi203的質(zhì)量過量 12 %，NaCl質(zhì)量是Bi203和Ti02總質(zhì)量的1. 1倍；通過熔鹽法制得Bi4Ti3012片狀粉體模板； 第二步以第一步獲得的Bi 4Ti3012片狀粉體模板、BaC03和NaCl為原料，Bi 4Ti3012和BaC03的 物質(zhì)的量的比例為1 ;7. 5, NaCl的質(zhì)量是Bi4Ti3012和BaC03總質(zhì)量的1. 1倍，通過熔鹽法制 得BaTi03片狀粉體模板。
[0057] (3)將獲得的模板與基料按模板物質(zhì)量占模板與基料總物質(zhì)量的1%的比例配料 并置于球磨罐中，加入無水乙醇與甲苯的混合溶液作為溶劑，溶劑的加入量為每l〇g模板 和基料的總重量對應(yīng)加入4g無水乙醇和9g甲苯；每分鐘60轉(zhuǎn)輥磨10小時，再加入粘結(jié)劑 每分鐘40轉(zhuǎn)繼續(xù)輥磨6小時，制得漿料；所述粘結(jié)劑的加入量為每10g模板和基料的總重 量對應(yīng)加入4g粘結(jié)劑。
[0058] (4)取出制得的漿料，使用流延刮刀在玻璃板上進行流延，流延的速度是3cm/s， 流延刮刀與玻璃板的高度是100 μ m ;流延后平放靜置2小時，用刀片將膜片從玻璃板上刮 下；將膜片切割后疊片熱壓成型，熱壓成型的溫度為60°C，熱壓成型的壓力為40MPa，取出 壓好的樣品依次進行排粘、等靜壓、熱處理，得到取向良好的（1-x) [(l-a)BNT-aBKT)]-xBT 無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料，即為所述低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料。等靜壓的 時間是lOmin，壓力大小為lOOMPa ;所述的熱處理是采用的是兩步燒結(jié)方式，第一步溫度是 900°C，時間是10h，第二步溫度是1150°C ;熱處理的保溫時間為是50h，熱處理在硅碳棒爐 中進行。
[0059] 步驟4)中，上述所述疊片熱壓成型是指將流延靜置后的膜切成1. 15cmXl. 15cm 的片，將一定數(shù)量的這些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(diào)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，加熱到60°C， 壓力大小是40MPa，反復(fù)進行4次，保溫保壓時間為1小時，使疊的片能夠均勻致密的粘結(jié)在 一起成為一個致密的片狀生坯。此處制備塊狀樣品需要一個與沿片狀方向相垂直的力，使 片與片之間的產(chǎn)生良好的面結(jié)合。
[0060] 所述的無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料應(yīng)用于壓電傳感器、壓電電動機以及高精度位移控 制中。
[0061] 實施例5
[0062] 低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包括以下 步驟：
[0063] (1)制備基料：制備（1-8)8階-&81(1'粉體基料，其中 & = 0.2;采用固相反應(yīng)法 制得，即采用NaC03、KC03、Bi 203和Ti02為原料，先按照（BiQ.5Na Q.5Ti)03中Na、Bi和Ti元 素的化學(xué)計量比稱取NaC0 3、Bi203和Ti02，依次經(jīng)配料、混料、預(yù)壓和熱處理步驟制備獲得 (Bi a5NaQ.5Ti)03基料；再按照（BiQ. 5KQ.5Ti)03中Bi、K和Ti元素的化學(xué)計量比稱取KC0 3、 Bi203和Ti02，依次經(jīng)配料、混料、預(yù)壓和熱處理步驟制備獲得（Β? α5Κα5--)03基料；最后按 照（1-a) (BiuNa^Ti^-a^uK^Ti^ 中（BiQ.5NaQ.5Ti)03和（Bi Q.5KQ.5Ti)03 的配比將基料 (Bia5Naa5Ti)〇dP (BiuUiM基料進行混合后烘干即可；其中，（Bia5Naa5Ti)03的熱處 理溫度為850°C，（Β? α5Κα5--)03的熱處理溫度為900°C。
[0064] (2)制備模板：運用雙重熔鹽法制備8&1103片狀粉體模板；具體為：第一步，采用 Bi203、Ti02和NaCl為原料，按照Bi4Ti 3012片狀粉體模板的化學(xué)計量比，Bi203的質(zhì)量過量 12 %，NaCl質(zhì)量是Bi203和Ti02總質(zhì)量的1. 1倍；通過熔鹽法制得Bi4Ti3012片狀粉體模板； 第二步以第一步獲得的Bi 4Ti3012片狀粉體模板、BaC03和NaCl為原料，Bi 4Ti3012和BaC03的 物質(zhì)的量的比例為1 : 7. 5，NaCl的質(zhì)量是Bi4Ti3012和BaC03總質(zhì)量的1. 1倍，通過熔鹽法 制得BaTi03片狀粉體模板。
[0065] (3)將獲得的模板與基料按模板物質(zhì)量占模板與基料總物質(zhì)量的5%的比例配料 并置于球磨罐中，加入無水乙醇與甲苯的混合溶液作為溶劑，溶劑的加入量為每l〇g模板 和基料的總重量對應(yīng)加入5g無水乙醇和7g甲苯；每分鐘60轉(zhuǎn)輥磨15小時，再加入粘結(jié)劑 每分鐘40轉(zhuǎn)繼續(xù)輥磨4小時，制得漿料；所述粘結(jié)劑的加入量為每10g模板和基料的總重 量對應(yīng)加入6g粘結(jié)劑；
[0066] (4)取出制得的漿料，使用流延刮刀在玻璃板上進行流延，流延的速度是6cm/s ; 流延刮刀與玻璃板的高度是200 μ m ;流延后平放靜置3小時；用刀片將膜片從玻璃板上刮 下；將膜片切割后疊片熱壓成型，熱壓成型的溫度為70°C ;熱壓成型的壓力為70MPa ;取出 壓好的樣品依次進行排粘、等靜壓、熱處理，得到取向良好的（1-x) [(l-a)BNT-aBKT)]-xBT 無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料，即為所述低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料。等靜壓的 時間是lOmin ;壓力大小為200MPa ;所述的熱處理是采用的是兩步燒結(jié)方式，第一步溫度是 1100°C，4h ;第二步溫度是1175°C和50h ;熱處理在硅碳棒爐中進行。
[0067] 步驟4)中，上述所述疊片熱壓成型是指將流延靜置后的膜切成1. 15cmXl. 15cm 的片，將一定數(shù)量的這些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(diào)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，加熱到80°C， 壓力大小是60MPa，反復(fù)進行4次，保溫保壓時間為1小時，使疊的片能夠均勻致密的粘結(jié)在 一起成為一個致密的片狀生坯。此處制備塊狀樣品需要一個與沿片狀方向相垂直的力，使 片與片之間的產(chǎn)生良好的面結(jié)合。
[0068] 所述的無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料應(yīng)用于壓電傳感器、壓電電動機以及高精度位移控 制中。
[0069] 實施例6
[0070] 低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包括以下 步驟：
[0071] (1)制備基料：制備（l-a)BNT-aBKT粉體基料，其中a = 0. 22 ;采用固相反應(yīng)法 制得，即采用NaC03、KC03、Bi20 3和Ti02為原料，先按照（BiQ.5NaQ. 5Ti)03中Na、Bi和Ti元 素的化學(xué)計量比稱取NaC03、Bi 203和Ti02，依次經(jīng)配料、混料、預(yù)壓和熱處理步驟制備獲得 (Bi a5NaQ.5Ti)03基料；再按照（BiQ. 5KQ.5Ti)03中Bi、K和Ti元素的化學(xué)計量比稱取KC0 3、 Bi203和Ti02，依次經(jīng)配料、混料、預(yù)壓和熱處理步驟制備獲得（Β? α5Κα5--)03基料；最后按 照（1-a) (BiuNa^Ti^-a^uK^Ti^ 中（BiQ.5NaQ.5Ti)03和（Bi Q.5KQ.5Ti)03 的配比將基料 (Bia5Naa5Ti)〇dP (BiuUiM基料進行混合后烘干即可；其中，（Bia5Naa5Ti)03的熱處 理溫度為850°C，（Β? α5Κα5--)03的熱處理溫度為900°C。
[0072] (2)制備模板：運用雙重熔鹽法制備8&1103片狀粉體模板；具體為：第一步，采用 Bi203、Ti02和NaCl為原料，按照Bi4Ti 3012片狀粉體模板的化學(xué)計量比，Bi203的質(zhì)量過量 12 %，NaCl質(zhì)量是Bi203和Ti02總質(zhì)量的1. 1倍；通過熔鹽法制得Bi4Ti3012片狀粉體模板； 第二步以第一步獲得的Bi 4Ti3012片狀粉體模板、BaC03和NaCl為原料，Bi 4Ti3012和BaC03的 物質(zhì)的量的比例為1 : 7. 5，NaCl的質(zhì)量是Bi4Ti3012和BaC03總質(zhì)量的1. 1倍，通過熔鹽法 制得BaTi03片狀粉體模板。
[0073] (3)將獲得的模板與基料按模板物質(zhì)量占模板與基料總物質(zhì)量的10%的比例配 料并置于球磨罐中，加入無水乙醇與甲苯的混合溶液作為溶劑，溶劑的加入量為每l〇g模 板和基料的總重量對應(yīng)加入6g無水乙醇和9g甲苯；輥磨24小時，再加入粘結(jié)劑繼續(xù)輥磨 6小時，制得漿料；所述粘結(jié)劑的加入量為每10g模板和基料的總重量對應(yīng)加入7g粘結(jié)劑；
[0074] (4)取出制得的漿料，使用流延刮刀在玻璃板上進行流延，流延的速度是lOcm/s， 流延刮刀與玻璃板的高度是300 μ m，流延后平放靜置4小時，用刀片將膜片從玻璃板上刮 下；將膜片切割后疊片熱壓成型，熱壓成型的溫度為l〇〇°C，優(yōu)選為70°C ;熱壓成型的壓力 為80MPa，取出壓好的樣品依次進行排粘、等靜壓、熱處理，得到取向良好的（l-x)[(l-a) BNT-aBKT)]-xBT無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料，即為所述低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷 材料。等靜壓的時間是30min，壓力大小為300MPa，所述的熱處理是采用的是兩步燒結(jié)方 式，第一步溫度是1150°C，時間是2h，第二步溫度是1250°C;熱處理的保溫時間為是10h，熱 處理在娃碳棒爐中進行。
[0075] 步驟4)中，上述所述疊片熱壓成型是指將流延靜置后的膜切成1. 15cmXl. 15cm 的片，將一定數(shù)量的這些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(diào)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，加熱到 l〇〇°C，壓力大小是80MPa，反復(fù)進行4次，保溫保壓時間為1小時，使疊的片能夠均勻致密的 粘結(jié)在一起成為一個致密的片狀生坯。此處制備塊狀樣品需要一個與沿片狀方向相垂直的 力，使片與片之間的產(chǎn)生良好的面結(jié)合。
[0076] 所述的無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料應(yīng)用于壓電傳感器、壓電電動機以及高精度位移控 制中。
【權(quán)利要求】
1. 低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料，其特征在于，該材料的化學(xué)成份符合 化學(xué)通式（1-X) [(l-a)BNT-aBKT)]-xBT ;其中 0· 16 彡 a 彡 0· 22,0 彡 X 彡 0· 10。
2. 如權(quán)利要求1所述的低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料的制備方法，其特 征在于，包括以下步驟： (1) 制備基料：制備（l-a)BNT-aBKT粉體基料，其中0· 16彡a彡0· 22 ; (2) 制備模板：運用雙重熔鹽法制備BaTi03片狀粉體模板； (3) 將獲得的模板與基料按一定的比例配料并置于球磨罐中，加入溶劑，輥磨10-24小 時，再加入粘結(jié)劑繼續(xù)輥磨3-6小時，制得漿料； (4) 取出制得的漿料，使用流延刮刀在玻璃板上進行流延；流延后平放靜置，用刀片將 膜片從玻璃板上刮下；將膜片切割后疊片熱壓成型，取出壓好的樣品依次進行排粘、等靜 壓、熱處理，得到取向良好的（1-x) [(l-a)BNT-aBKT)]-xBT無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料，即為所 述低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料。
3. 如權(quán)利要求2所述的低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料的制備方法，其 特征在于，步驟（1)所述的（l-a)BNT-aBKT粉體基料采用固相反應(yīng)法制得，即采用NaC0 3、 KC03、Bi203和Ti02為原料，先按照（Bi Q.5NaQ.5Ti)03中Na、Bi和Ti元素的化學(xué)計量比稱取 NaC03、Bi203和Ti02，依次經(jīng)配料、混料、預(yù)壓和熱處理步驟制備獲得（Bi Q.5NaQ.5Ti)03基料； 再按照（Bi Q.5KQ.5Ti)03中Bi、K和Ti元素的化學(xué)計量比稱取KC0 3、Bi203和Ti02，依次經(jīng)配 料、混料、預(yù)壓和熱處理步驟制備獲得（Bi Q.5KQ.5Ti)03基料；最后按照（1-a) (Bia5NaQ.5Ti) 03-a(BiQ.5KQ.5Ti)0 3 中（BiQ.5NaQ.5Ti)03 和（BiQ.5KQ.5Ti)03 的配比將基料（BiQ.5NaQ.5Ti)0 3 和 (Bia5Ka5Ti)03基料進行混合后烘干即可；其中，（Β? α5Ν&(ι.5--)03的熱處理溫度為850°C， (Bi Q.5KQ.5Ti)03的熱處理溫度為900°C。
4. 如權(quán)利要求2所述的低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料的制備方法，其 特征在于，步驟（2)所述BaTi03片狀粉體模板通過雙重熔鹽法制得具體為：第一步，采用 Bi203、Ti02和NaCl為原料，通過熔鹽法制得Bi4Ti 3012片狀粉體模板；第二步以第一步獲得 的Bi4Ti30 12片狀粉體模板、BaC03和NaCl為原料，通過熔鹽法制得BaTi03片狀粉體模板。
5. 如權(quán)利要求4所述的低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料的制備方法，其特 征在于，所述的第一步的Bi20 3、Ti02和NaCl的配比如下：按照Bi4Ti30 12片狀粉體模板的 化學(xué)計量比，Bi203的質(zhì)量過量12%，NaCl質(zhì)量是Bi 203和Ti02總質(zhì)量的1. 1倍；第二步的 Bi4Ti3012片狀粉體模板、BaC03和NaCl的配比如下：Bi 4Ti3012和BaC03的物質(zhì)的量的比例為 1 : 7. 5, NaCl的質(zhì)量是Bi4Ti3012和BaC03總質(zhì)量的1. 1倍。
6. 如權(quán)利要求2所述的低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料的制備方法，其特 征在于，步驟（3)所述模板物質(zhì)量占模板與基料總物質(zhì)量的1% -10%。
7. 如權(quán)利要求6所述的低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料的制備方法，其特 征在于，步驟（3)所述模板物質(zhì)量占模板與基料總物質(zhì)量的1%。
8. 如權(quán)利要求2所述的低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料的制備方法，其特 征在于，步驟（3)所述溶劑為無水乙醇與甲苯的混合溶液；所述溶劑的加入量為每10g模板 和基料的總重量對應(yīng)加入4-6g無水乙醇和5-9g甲苯； 步驟（3)所述粘結(jié)劑的加入量為每10g模板和基料的總重量對應(yīng)加入4-7g粘結(jié)劑； 步驟（3)加入溶劑進行輥磨采用每分鐘60轉(zhuǎn)，輥磨時間為12-15小時；加入粘結(jié)劑進 行輥磨采用每分鐘40轉(zhuǎn)，輥磨時間為4小時。
9. 如權(quán)利要求2所述的低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料的制備方法，其特 征在于，步驟（4)所述的流延的速度是3cm/s-10cm/s ; 所述熱壓成型的溫度為60-100°C ;熱壓成型的壓力為40MPa-80MPa ; 所述的樣品進行排粘后，進行等靜壓，等靜壓的時間是l〇min-30min，壓力大小為 100MPa-300MPa ； 所述的熱處理是米用的是兩步燒結(jié)方式，第一步溫度是900_1150°C，時間是2_10h ;第 二步溫度是1150_1250°C ;熱處理的保溫時間為是10_50h ;熱處理在硅碳棒爐中進行。
10. 如權(quán)利要求1所述的低電場下大應(yīng)變響應(yīng)無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料的應(yīng)用，其特征 在于，所述的無鉛壓電織構(gòu)陶瓷材料應(yīng)用于壓電傳感器、壓電電動機以及高精度位移控制 中。
【文檔編號】C04B35/66GK104098328SQ201410304663
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】翟繼衛(wèi), 白王峰, 沈波, 李玲玉, 張揚 申請人:同濟大學(xué)