一種壓電材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓電材料，具體涉及一種摻雜鉻元素的鈦酸鋇系壓電材料及以此為壓電材料。
【背景技術(shù)】
[0002]磁電效應(yīng)是磁電復(fù)合材料在外磁場作用下的介電極化，或者在外電場作用下的磁化。磁電材料能實(shí)現(xiàn)磁場與電場之間的轉(zhuǎn)換，是一種重要的功能材料，在高性能磁電器件中具有廣泛的應(yīng)用前景，可應(yīng)用于換能器、微波泄漏檢測、高壓輸電線路的電流檢測、寬波段磁探測等領(lǐng)域。和傳統(tǒng)的介電材料或磁性材料相比，磁電復(fù)合材料具有能量轉(zhuǎn)換效率高、測量精確、制造成本低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，開發(fā)具有大磁電效應(yīng)的磁電材料一直是人們研究的重點(diǎn)，不斷有新的磁電材料被發(fā)現(xiàn)和合成。從最早的CrOOl單晶，到各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的磁電化合物，目前已有上百種之多。
[0003]層狀磁電復(fù)合材料是近年來發(fā)展起來的新的磁電復(fù)合材料體系，將具有壓電效應(yīng)的鐵電材料和具有磁致伸縮效應(yīng)的鐵磁材料層合在一起可以構(gòu)成層狀壓電/磁致伸縮磁電復(fù)合材料。當(dāng)外磁場施加在復(fù)合材料上，經(jīng)由磁致伸縮效應(yīng)，在磁致伸縮材料(或磁致伸縮相)中產(chǎn)生應(yīng)變，該應(yīng)變經(jīng)過界面禍合傳遞到壓電材料(或壓電相)，經(jīng)由壓電效應(yīng)產(chǎn)生介電極化。故磁電效應(yīng)是壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)的乘積效應(yīng)。層狀磁電復(fù)合材料體系克服了以往磁電復(fù)合材料體系的電阻率低、不容易極化的缺點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡單，易于制備的特點(diǎn)。由于鐵電相與鐵磁相之間沒有相互稀釋混雜，故磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)大。層狀復(fù)合材料現(xiàn)已成為磁電復(fù)合材料研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，它在室溫下的強(qiáng)磁電效應(yīng)使磁電復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用成為可能。
[0004]在層狀磁電復(fù)合材料中，磁致伸縮材料一般選擇具有巨磁致伸縮效應(yīng)的鋱鏑鐵合金(Terfenol-D，Tbi0 Dy。Fe。，)。定向生長的多晶鋱鏑鐵合金，其晶粒取向沿長度方向，即磁疇盡可能沿著長度方向排列。當(dāng)沿長度方向施加直流偏置磁場，其磁致伸縮可以達(dá)到1500?2000ppm。也可以是鋱鏑鐵和聚合物(PVDF，聚偏氟乙烯)形成的磁致伸縮復(fù)合材料。壓電材料，可以是具有強(qiáng)壓電效應(yīng)的鋯鈦酸鉛(PZT)系壓電陶瓷或鈦酸鋇(BaT1。)系壓電陶瓷，或者是壓電陶瓷和聚合物(PVDF，聚偏氟乙烯)形成的壓電復(fù)合材料。鋯鈦酸鉛Pb (Zr，Ti) 03 (PZT)系壓電陶瓷是磁電復(fù)合材料中經(jīng)常使用的壓電材料，但是PZT中含量很聞的有毒鉛Pb和錯Zr對人體和環(huán)境造成危害。
[0005]采用鈦酸鋇作為壓電材料，雖然能避免對環(huán)境的危害，但以此為壓電材料的磁電復(fù)合材料的磁電效應(yīng)較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種環(huán)保的壓電材料及以此制備的、具有較高磁電效應(yīng)的環(huán)保的磁電復(fù)合材料。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種環(huán)保型的壓電材料；該壓電材料為摻雜鉻元素的鈦酸鋇壓電陶瓷；其中鉻元素與鋇元素的摩爾比為1.0?1.5:100，優(yōu)選1.5:100。
[0008]上述壓電材料通過以下步驟制備:
[0009](I)溶膠一凝膠法制備前驅(qū)粉料:取原料碳酸鋇、二氧化鈦、三氧化二鉻和絡(luò)合齊U，在蒸餾水中加熱攪拌至均勻融合的半透明液體；將半透明液體置于烘箱中烘干，碾磨成粉狀，然后在400°C?450°C下預(yù)燒6.0h?6.5h，即得前驅(qū)粉料；碳酸鋇中鋇元素的摩爾數(shù)等于二氧化鈦中鈦元素和三氧化二鉻中鉻元素的摩爾數(shù)之和；絡(luò)合劑與碳酸鋇的摩爾比為3 ?3.5:1:
[0010](2)將步驟(I)中制備的前驅(qū)粉料在壓片機(jī)上壓片制成胚體；將胚體在10.0MPa ?10.5MPa、900°C?950°C下燒結(jié) 10.0h ?10.5h，然后置于 1300°C?1400°C下常壓燒結(jié)10.0h?10.5h，即得壓電材料。
[0011]步驟(I)中絡(luò)合劑可采用檸檬酸。
[0012]本發(fā)明還提供了一種環(huán)保的磁電復(fù)合材料，該磁電復(fù)合材料通過上述壓電材料極化后與磁致伸縮材料粘合制備。
[0013]壓電材料極化過程如下:將壓電材料切割打磨成矩形薄片，在薄片上下表面進(jìn)行燒滲生成銀電極或者果用真空蒸鍍鍍上金或鋁電極；然后加熱至180°C?200°C，置于垂直于壓電材料上下表面、強(qiáng)度為9?lOkV/cm的電場中極化至室溫。
[0014]極化后的壓電材料和磁致伸縮材料粘合時所用粘合劑為緩干型環(huán)氧基樹脂及硬化劑。粘合劑厚度為0.01-0.02mm,這樣具有較好的粘合效果，使層狀磁電材料獲得較好的彈性耦合。
[0015]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明制備的壓電材料在XRD(X射線衍射)圖譜上顯示為完好的四方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，即摻雜鉻后的壓電材料中不含有雜相。且制備的雙層磁電復(fù)合材料在諧振頻率處實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的諧振磁電效應(yīng)，提高了單純采用鈦酸鋇作為壓電材料制備的雙層磁電復(fù)合材料的磁電電壓系數(shù)，具有較強(qiáng)磁電效應(yīng)。本發(fā)明制備的磁電復(fù)合材料是對環(huán)境無危害的環(huán)保型材料，且制備的磁電復(fù)合材料在高頻環(huán)境下具有更強(qiáng)的磁電效應(yīng)。
【附圖說明】
[0016]圖1為無摻雜的鈦酸鋇壓電材料和實(shí)施例二、三中制備的鉻摻雜鈦酸鋇壓電材料的XRD圖譜；
[0017]圖2為各實(shí)施例中制備的磁電復(fù)合材料與對照磁電復(fù)合材料的磁電電壓系數(shù)d互.；I隨交流磁場頻率f變化的曲線圖。
[0018]圖中，a-無摻雜的鈦酸鋇壓電材料，b-實(shí)施例二中制備的1.0%mol鉻摻雜鈦酸鋇壓電材料，C-實(shí)施例三中制備的1.5% mo I鉻摻雜鈦酸鋇壓電材料，d-實(shí)施例一中制備的磁電復(fù)合材料，e-實(shí)施例二中制備的磁電復(fù)合材料，f_實(shí)施例三中制備的磁電復(fù)合材料，g-實(shí)施例四中制備的磁電復(fù)合材料，h-對照磁電復(fù)合材料。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明壓電材料及磁電復(fù)合材料進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0020]實(shí)施例一
[0021]壓電材料制備:
[0022]1、溶膠一凝膠法制備前驅(qū)粉料:制備0.5 % mol鉻(Cr)摻雜鈦酸鋇(BaT13)前驅(qū)粉體。所用原料為碳酸鋇(BaCO3)、二氧化鈦(T12)、三氧化二鉻(Cr2O3)和檸檬酸CIT(C6H8O7.H2O)。碳酸鋇、二氧化鈦、三氧化二鉻和檸檬酸的摩爾比為1:0.995:0.0025:3.2。將原料在蒸餾水中充分?jǐn)嚢韬?，放置在加熱磁攪拌儀上，加熱攪拌若干小時，直至燒杯內(nèi)溶液成均勻融合的半透明液體。將燒杯放置在烘干箱中，烘干若干小時，直至水分完全蒸發(fā)成固體狀。將固體狀的物質(zhì)碾磨成細(xì)粉，放置在馬弗爐中在400°C下預(yù)燒6個小時，就得到了所需的0.5% mo I Cr摻雜鈦酸鋇的前驅(qū)粉料。
[0023]2、壓片、燒結(jié):將粉料在壓片機(jī)上壓片。即將粉料置于壓模中，在SMPa的壓強(qiáng)下加壓約一分鐘，將粉料壓制成胚體，將胚體放置于氧化鋁熱壓模具中，采用熱壓爐在1MPa，900°C下熱壓燒結(jié)10小時。熱壓后的樣品再放置于馬弗爐中，在1300°C的高溫下于空氣常壓氣氛中燒結(jié)10小時，便得到我們所需要的0.5% moICr摻雜鈦酸鋇壓電材料。
[0024]堿電復(fù)合材料制備:
[0025]a、壓電材料極化:將制備的壓電材料經(jīng)切割和充分打磨拋光后，得到長度為20mm，寬度為5mm，厚度為Imm的矩形壓電陶瓷薄片。在壓電陶瓷薄片的上下表面涂上燒滲用銀膠，在550°C下對銀膠和陶瓷片進(jìn)行燒滲生成銀電極。固銀生成銀電極后，將陶瓷片加熱至大約200°C，超過鈦酸鋇的居里點(diǎn)(大約120°C )，并在垂直于陶瓷片上下表面，強(qiáng)度約為10kV/cm的電場中極化至室溫。
[0026]b、粘合:磁致伸縮材料采用長度略微小于20mm，寬度為5mm，厚度為Imm的鋱鏑鐵合金(Terfenol-D，TDF)。用緩干型環(huán)氧基樹脂及硬化劑作為粘合劑將極化后的壓電材料和磁致伸縮材料粘合在一起，構(gòu)成雙層磁電復(fù)合材料。粘合劑厚度約為0.01-0.02mm。
[0027]實(shí)施例二
[0028]壓電材料制備:
[0029]1、溶膠一凝膠法制備前驅(qū)粉料:所用原料為碳酸鋇(BaCO3)、二氧化鈦(T12)、三氧化二鉻(Cr2O3)和檸檬酸CIT(C6H8O7.H2O)。碳酸鋇、二氧化鈦、三氧化二鉻和檸檬酸的摩爾比為1:0.99:0.005:3.2。將原料在蒸餾水中充分?jǐn)嚢韬螅胖迷诩訜岽艛嚢鑳x上，加熱攪拌若干小時，直至燒杯肉溶液成均勻融合的半透明液體。將燒杯放置在烘干箱中，烘干若干小時，直至水分完全蒸發(fā)成固體狀。將固體狀的物質(zhì)碾磨成細(xì)粉，放置在馬弗爐中在450°C下預(yù)燒6.5小時，就得到了所需的1.0% mo I Cr摻雜鈦酸鋇的前驅(qū)粉料。
[0030]2、壓片、燒結(jié):將粉料在壓片機(jī)上壓片。即將粉料置于壓模中，在SMPa的壓強(qiáng)下加壓約一分鐘，將粉料壓制成胚體，將胚體放置于氧化鋁熱壓模具中，采用熱壓爐在10.5MPa，950°C下熱壓燒結(jié)10.5小時。熱壓后的樣品再放置于馬弗爐中，在1400°C的高溫下于空氣常壓氣氛中燒結(jié)10.5小時，便得到我們所需要的1.0% moICr摻雜鈦酸鋇壓電材料。對制備1.0% moICr摻雜鈦酸鋇壓電材料進(jìn)行X射線衍射表征:所用儀器是日本理學(xué)公司制造的Rigaku D/max-rC型轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀。X射線衍射管發(fā)出的Cu五-(工=1.5418)特征X射線入射到置于樣品轉(zhuǎn)臺的樣品上，衍射強(qiáng)度由閃爍記數(shù)器測量。掃描步長為0.02°，角度2 Θ =20°到80°。如圖1所示，將1.0% mo I Cr摻雜鈦酸鋇壓電材料b的XRD圖譜與四