锆钛酸钡钙基压电陶瓷及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种高压电性能的锆钛酸钡钙基压电陶瓷及其制备方法，属于电子陶瓷领域。
背景技术
压电陶瓷在外加电场作用下可以产生应变，同时，在外力作用下，压电陶瓷会在两极产生电荷，因此被广泛的应用于换能器、微位移器、传感器、谐振器及滤波器等领域。
文献“Shoufu Shao，Jialiang Zhang，Zong Zhang，Peng Zheng，MingleiZhao，Jichao Li and Chunlei Wang，High piezoelectric properties anddomain configuration in BaTiO3ceramics obtained through the solid-statereaction route，J.Phys.D：Appl.Phys.41(2008)125408”采用传统的固相合成方法制备了高性能的无铅压电陶瓷，使钛酸钡的压电性能得到了大大的提高。然而他们的烧结工艺却非常复杂，高性能的钛酸钡陶瓷必须在较窄的温度范围内烧成，严重的制约了其大批量的生产以及产品的工艺稳定性。而目前通用的解决方案是加入其他钙钛矿成分来调节其压电性能和工艺性能。
【发明内容】
为了克服现有技术中高性能钛酸钡陶瓷工艺性能差等问题，本发明提供一种高压电性能的锆钛酸钡钙基压电陶瓷，采用钛酸钙和锆酸钡与钛酸钡复合形成固溶体，使其压电性能和工艺性能都得到了大大的提高。
本发明还提供这种锆钛酸钡钙基压电陶瓷的制备方法。
本发明的技术方案是：
锆钛酸钡钙基压电陶瓷的化学组成通式为：(1-x-y)BaTiO3-xCaTiO3-yBaZrO3，其中：0＜x＜0.5，0＜y＜0.5，x、y均为摩尔分数。
具体制备方法为：
(1)将碳酸钡、碳酸钙、二氧化钛、二氧化锆，按化学计量比为(1-x-y)BaTiO3-xCaTiO3-yBaZrO3配料，其中：0＜x＜0.5，0＜y＜0.5；
(2)将步骤(1)配好的料放入球磨机中混料，球/料质量比为2～20，球的材质为铁球、玛瑙球、氧化锆球和氧化铝球中的一种，球磨的时间为2～14小时，转速为200～450转/分钟；
(3)将步骤(2)混合好的料压块，在1000～1400℃温度下预烧1～3小时，取出煅烧的料研碎，再次球磨，球磨时间和转速同步骤(2)，然后粉体过40目筛，球的材质和球/料比同步骤(2)；
(4)将步骤(3)得到的粉体加入其质量比10-45％的纯净水、质量比0.2～2％的聚丙烯酸氨分散剂和质量比0.2～2％的聚乙烯醇粘合剂，经球磨1～3小时混合均匀而成料浆，球磨速度为50～300转/分钟，采用气流喷雾造粒，得到颗粒直径为0.01～1毫米的锆钛酸钡钙粉体颗粒；
(5)将步骤(4)制得的粉体颗粒放入压机，在200～900MPa的压力下压制出圆片或者方片；
(6)将步骤(5)成型的圆片或者方片放入烘箱中120℃烘1～6小时成为素片，然后将烘干的素片放入炉中排胶，升温速率在25～500℃时为30～90℃/h，500～800℃时为90～120℃/h，并分别在270℃、360℃、500℃及800℃保温1～4小时，随炉冷却；
(7)将步骤(6)得到的素片放入烧结炉中，以2～12℃/分钟的升温速率升至1200～1500℃，保温1～8小时，然后随炉冷却，烧结完成后取出，涂敷低温银浆，500～800℃保温0.2-1.5小时制成电极；
(8)将步骤(7)制得的瓷片浸入25～85℃硅油中极化10～60分钟，极化电场为0.1～4kV/mm。
本发明的有益效果是：由于采用了钛酸钙和锆酸钡与钛酸钡形成了固溶体，减少了制备工艺对压电性能的影响，并形成了一个三方-四方相界。在相界附近，压电性能得到了大大的增强，同时该方法也能有效的降低了压电陶瓷的矫顽场，使极化工艺简单易行。本发明可制备不同压电、介电性能的无铅压电陶瓷，从而满足不同领域的使用需求；该压电陶瓷成分简单，成本低廉，工艺流程简单，重复性好，设备要求低，使得生产成本低廉，适合大规模、批量化生产。本发明所得到的电学参数为，压电常数d33为200～750pC/N，平面耦合机电系数kp为0.15～0.65，品质因数Qm为110～1400，厚度机电耦合系数kt为0.20～0.86。
【附图说明】
图1为本发明实施例1锆钛酸钡钙陶瓷的X射线图谱。
图2为本发明实施例2锆钛酸钡钙陶瓷的扫描电镜图片。
图3为本发明实施例3锆钛酸钡钙陶瓷的扫描电镜图片。
【具体实施方式】
实施例1：
用分析纯级质量百分比含量为99.9％的碳酸钡、质量百分比含量为99.8％的碳酸钙、质量百分比含量为98.0％的二氧化钛、质量百分比含量为99.0％的二氧化锆，按化学计量比为0.76BaTiO3-0.12CaTiO3-0.12BaZrO3进行称量配料。将配好的料放入球磨机中按氧化锆球∶料为10∶1的比例混料，混料过程中不加入其他介质。球磨的时间为6小时，转速为400转/分钟，混合好的料压块在1250℃温度下预烧2小时，取出煅烧的料研碎，再球磨6小时后过40目筛，球磨转速为400转/分钟；将粉体加入其质量比32％的纯净水、质量比1.2％的聚丙烯酸氨分散剂和质量比0.8％的聚乙烯醇粘合剂，经球磨2小时混合均匀而成料浆，球磨速度为100转/分钟，采用气流喷雾造粒；粉体颗粒放入压机中，在450MPa压力下得到直径15毫米厚度1.2毫米地圆片；放入烘箱中120℃烘10小时成为素片，然后将烘干的素片放入炉中排胶，升温速率在25～500℃时为30℃/h，500～800℃时为100℃/h，并分别在270℃、360℃、500℃及800℃保温2小时，随炉冷却；排完胶的素片放入烧结炉中，升温速率为5℃/分钟，在1350℃烧结，而后随炉冷却。烧结完成后取出，涂敷中温银浆，在800℃保温0.5小时成为电极，在25℃的硅油中极化10分钟，极化电场为1kV/mm。采用该方法得到的锆钛酸钡钙陶瓷压电常数d33为527pC/N，平面耦合机电系数kp为0.54，品质因数Qm为721，厚度机电耦合系数kt为0.67。图1给出了锆钛酸钡钙陶瓷的X射线图谱。
实施例2：
用分析纯级质量百分比含量为99.9％的碳酸钡、质量百分比含量为99.8％的碳酸钙、质量百分比含量为98.0％的二氧化钛、质量百分比含量为99.0％的二氧化锆，按化学计量比为0.75BaTiO3-0.15CaTiO3-0.1BaZrO3进行称量配料。将配好的料放入球磨机中按氧化锆球∶料为15∶1的比例混料，混料过程中不加入其他介质。球磨的时间为6小时，转速为350转/分钟，混合好的料压块在1250℃温度下预烧2小时，取出煅烧的料研碎，再球磨6小时后过40目筛，球磨转速为350转/分钟；将粉体加入其质量比30％的纯净水、质量比1.1％的聚丙烯酸氨分散剂和质量比0.9％的聚乙烯醇粘合剂，经球磨2小时混合均匀而成料浆，球磨速度为150转/分钟，采用气流喷雾造粒；粉体颗粒放入压机中，在500MPa压力下得到直径15毫米厚度1.2毫米的圆片；放入烘箱中120℃烘10小时成为素片，然后将烘干的素片放入炉中排胶，升温速率在25～500℃时为30℃/h，500～800℃时为100℃/h，并分别在270℃、360℃、500℃及800℃保温2小时，随炉冷却；排完胶的素片放入烧结炉中，升温速率为10℃/分钟，在1400℃烧结，而后随炉冷却。涂敷中温银浆，在800℃保温0.5小时成为电极，在25℃的硅油中极化30分钟，极化电场为1.5kV/mm。采用该方法得到的锆钛酸钡钙陶瓷压电常数d33为673pC/N，平面耦合机电系数kp为0.64，品质因数Qm为558，厚度机电耦合系数kt为0.77。图2给出了锆钛酸钡钙陶瓷的扫描电镜图片。
实施例3：
用分析纯级质量百分比含量为99.9％的碳酸钡、质量百分比含量为99.8％的碳酸钙、质量百分比含量为98.0％的二氧化钛、质量百分比含量为99.0％的二氧化锆，按化学计量比为0.74BaTiO3-0.18CaTiO3-0.08BaZrO3进行称量配料。将配好的料放入球磨机中按氧化锆球∶料为8∶1的比例混料，混料过程中不加入其他介质。球磨的时间为6小时，转速为450转/分钟，混合好的料压块在1250℃温度下预烧2小时，取出煅烧的料研碎，再球磨6小时后过40目筛，球磨转速为450转/分钟；将粉体加入其质量比40％的纯净水、质量比1％的聚丙烯酸氨分散剂和质量比1％的聚乙烯醇粘合剂，经球磨2小时混合均匀而成料浆，球磨速度为80转/分钟，采用气流喷雾造粒；粉体颗粒放入压机中，在350MPa压力下得到直径15毫米厚度1.2毫米的圆片；放入烘箱中120℃烘10小时成为素片，然后将烘干的素片放入炉中排胶，升温速率在25～500℃时为30℃/h，500～800℃时为100℃/h，并分别在270℃、360℃、500℃及800℃保温2小时，随炉冷却；排完胶的素片放入烧结炉中，升温速率为7℃/分钟，在1320℃烧结，而后随炉冷却。烧结完成后取出，涂敷中温银浆，在800℃保温0.5小时成为电极，在25℃的硅油中极化20分钟，极化电场为1kV/mm。采用该方法得到的锆钛酸钡钙陶瓷压电常数d33为482pC/N，平面耦合机电系数kp为0.48，品质因数Qm为686，厚度机电耦合系数kt为0.59。图3给出了锆钛酸钡钙陶瓷的扫描电镜图片。