一种提高挠曲电性能的铌掺杂钛酸钡陶瓷材料的制备方法

本发明涉及功能材料，具体涉及一种通过改变铌元素掺杂比例调控钛酸钡(batio3)陶瓷材料挠曲电性能的方法。

背景技术：

1、功能材料是新材料发展的核心，力电耦合功能材料可以实现机械能和电能之间的转换，广泛地应用于滤波器、传感器、换能器、驱动器和能量回收系统等。力电耦合效应主要包括压电效应、电致伸缩效应以及麦克斯韦效应等；其中应用最为广泛的一种力电耦合效应是压电效应。然而压电材料在居里温度以上将失去压电性，并且无铅压电材料压电性远不如含铅压电材料，而铅是一种会对人体和环境造成损害的元素。因此研究人员开始寻找可替代压电材料的其他功能材料，例如挠曲电材料。挠曲电效应描述了介电极化与应变梯度之间的相互作用。

2、由于应变梯度本身就可以打破材料的中心对称结构，挠曲电效应可存在于所有的介电材料中；而目前被广泛研究的压电效应只存在于不具有对称中心的晶体结构的材料中，因而，挠曲电效应是一种比压电效应更为广泛的力电耦合效应。可以利用这种效应设计一些新型的功能材料和器件。在挠曲电效应的研究中，挠曲电系数μijkl是最常见的用来描述材料挠曲电性能大小的重要参数之一，早期理论预测材料的挠曲电系数在10-12～10-11c/m范围内，而近年来对铁电材料挠曲电系数的测试结果比理论预测大几个数量级，是最具前景的挠曲电材料之一，在实际应用中有很宽广的应用前景。但是当前材料当中的挠曲电效应相比于压电效应还是过于微弱，而且在宏观固体材料中很难产生比较大的应变梯度，因此限制了挠曲电效应的实际应用。

3、研究表明，具有高介电性能的材料一般具有比较高的挠曲电系数。由于铁电氧化物具有比普通的介电材料更高的介电性能，因而目前所获得的具有高挠曲电系数的材料基本都是铁电材料。这些材料主要包括batio3基的铁电材料，含铋的铁电材料，含铅的铁电材料，srtio3基的铁电材料，linbo3基铁电材料(na,k)nbo3基的铁电材料，具有钨青铜结构的铁电材料等。目前这些铁电氧化物材料中测量到了高达10-6～10-4c/m的挠曲电系数，但是当前发现的具有高挠曲电性能的材料(挠曲电系数大于10-4c/m)，其制备工艺都比较复杂，制备周期长且产量低，而且影响材料的其他性能。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种提高挠曲电性能的铌掺杂钛酸钡陶瓷材料的制备方法，本发明提供的材料制备方法简单，制备周期短，可实现量产，且不影响材料的其他性能。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种提高挠曲电性能的铌掺杂钛酸钡陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)制备铌掺杂钛酸钡粉体

5、先将batio3和nb2o5粉体在烘箱中烘干，然后按照所需要的陶瓷样品组分的化学计量比bati1-xnbxo3(0＜x＜0.05)，计算出每个组分所需要的每一种化学药品原料质量，计算时应考虑化学药品的纯度；再将称好的原料倒入装有玛瑙球的聚四氟乙烯球磨罐中，加入无水乙醇作为球磨介质，在行星式球磨机上进行球磨；

6、充分混合均匀的粉体在1050℃至1150℃下保温2h到3h进行固相烧结，作用是使原料在高温下发生化学反应生成所需要的bati1-xnbxo3陶瓷晶相；

7、将烧制完成的粉体再进行球磨混合得到铌掺杂钛酸钡粉体；

8、(2)制备待用胚体

9、将铌掺杂钛酸钡粉体和质量浓度为5wt％至10wt％的聚乙烯醇溶液按铌掺杂钛酸钡粉体和聚乙烯醇为100:1至200:1的质量比混合研磨造粒，将粒料放入直径为40mm的模具中，用液压机以200～300mpa的压力单轴压制成胚体；将胚体放入马弗炉中，在500℃至600℃之间保温3h到5h，得到待用胚体；

10、(3)固相烧结制备铌掺杂钛酸钡陶瓷

11、将待用胚体放入马弗炉中，以3℃/min至5℃/min的升温速率加热到1300℃至1350℃，并保温3h到5h，得到铌掺杂钛酸钡陶瓷；

12、(4)对铌掺杂钛酸钡陶瓷进行退火处理

13、将烧制好的铌掺杂钛酸钡陶瓷放入马弗炉中，在800℃至1000℃下进行6h到10h退火处理，从而消除陶瓷制备过程中引起的氧空位。

14、所述铌掺杂钛酸钡陶瓷材料中，铌元素掺杂比例为0至5％。

15、如果要测量铌掺杂钛酸钡陶瓷材料的挠曲电系数则在对铌掺杂钛酸钡陶瓷进行退火处理前，先将烧制好的铌掺杂钛酸钡陶瓷切割成长方体梁结构，然后再进行退火处理。

16、采用铌元素掺杂这种施主掺杂，引入半导体特性，铌元素掺杂还可以降低材料的居里温度且抑制陶瓷晶粒的生长，增加陶瓷晶粒尺寸的均匀性，当铌掺杂浓度为0.2％时，铌掺杂钛酸钡陶瓷的挠曲电系数范围在23至380μc/m,挠曲电性能最优的组分与纯钛酸钡陶瓷相比挠曲电系数提高了20倍，且平均晶粒尺寸从5.00μm减小到1μm，成功制备了纳米尺度晶粒的陶瓷。

17、本发明的有益技术效果体现在以下方面：

18、挠曲电效应是一种由应变梯度诱导电极化的力电耦合效应，与压电效应相比具有不受晶体材料对称性限制和尺寸效应等特点，在微纳传感与驱动及能量回收等方面具有重要的应用潜质。然而，铁电材料的挠曲电性能仍然无法替代其压电效应，因此需要增强材料的挠曲电效应以用于实际应用。相比于缩小陶瓷尺寸从而增强其挠曲电性能，通过铌元素掺杂调控挠曲电性能的方法操作简单，应用范围更广，且有助于形成具有高致密度的细晶粒陶瓷。随着铌元素的掺杂，钛酸钡陶瓷的晶粒尺寸由5.00μm减小到1μm，挠曲电系数由15.8μc/m增加到380.0μc/m。采用铌元素掺杂这种施主掺杂，引入半导体特性，铌元素掺杂还可以降低材料的居里温度且抑制陶瓷晶粒的生长，这些因素都会对钛酸钡陶瓷的挠曲电效应产生显著影响。

技术特征：

1.一种提高挠曲电性能的铌掺杂钛酸钡陶瓷材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下:

2.根据权利要求1所述的一种提高挠曲电性能的铌掺杂钛酸钡陶瓷材料的制备方法，其特征在于：采用铌元素掺杂，引入半导体特性，铌元素掺杂还能够降低材料的居里温度且抑制陶瓷晶粒的生长，增加陶瓷晶粒尺寸的均匀性，铌掺杂钛酸钡陶瓷的挠曲电系数为23μc/m至380μc/m,挠曲电性能最优的组分与纯钛酸钡陶瓷相比挠曲电系数提高了20倍。

3.根据权利要求1所述的一种提高挠曲电性能的铌掺杂钛酸钡陶瓷材料的制备方法，其特征在于：如果要测量铌掺杂钛酸钡陶瓷材料的挠曲电系数则在对铌掺杂钛酸钡陶瓷进行退火处理前，先将烧制好的铌掺杂钛酸钡陶瓷切割成长方体梁结构，然后再进行退火处理。

4.根据权利要求1所述的一种提高挠曲电性能的铌掺杂钛酸钡陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中钛酸钡和氧化铌粉体的纯度≥99.9％，粒度为100nm。

技术总结
本发明公开了一种提高挠曲电性能的铌掺杂钛酸钡陶瓷材料的制备方法，涉及功能材料领域。制备方法步骤如下：(1)用高纯度钛酸钡粉体和氧化铌粉体球磨混合并固相烧结制备铌掺杂钛酸钡粉体；(2)用粉体制备待用胚体；(3)将待用胚体进行传统烧结，得到铌掺杂钛酸钡陶瓷；(4)采用铌掺杂钛酸钡陶瓷进行挠曲电性能测试，铌掺杂钛酸钡陶瓷的挠曲电系数为23至380μC/m,挠曲电性能最优的组分与纯钛酸钡陶瓷相比挠曲电系数提高了20倍。

技术研发人员：梁旭,吕睿,井永升,白桂如,贺宇欣,张鑫,胡淑玲,申胜平
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17