一種壓電材料及磁電復合材料制造技術

本發明專利技術公開了一種壓電材料，該壓電材料為摻雜鉻（Cr）元素的鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷；鉻元素與鋇元素的摩爾比為1.0～1.5:100。本發明專利技術還公開了一種磁電復合材料，該磁電復合材料是將摻雜鉻元素的鈦酸鋇壓電陶瓷壓電材料極化后與磁致伸縮材料粘合制備。本發明專利技術制備的磁電復合材料是對環境無危害的環保型材料，且在高頻環境下具有更強的磁電效應。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種壓電材料及磁電復合材料，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的環保型的磁電復合材料。
技術介紹
磁電效應是磁電復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。磁電材料能實現磁場與電場之間的轉換，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用前景，可應用于換能器、微波泄漏檢測、高壓輸電線路的電流檢測、寬波段磁探測等領域。和傳統的介電材料或磁性材料相比，磁電復合材料具有能量轉換效率高、測量精確、制造成本低、集成度高等優點。因此，開發具有大磁電效應的磁電材料一直是人們研究的重點，不斷有新的磁電材料被發現和合成。從最早的Cr2O3單晶，到各種復雜結構的磁電化合物，目前已有上百種之多。層狀磁電復合材料是近年來發展起來的新的磁電復合材料體系，將具有壓電效應的鐵電材料和具有磁致伸縮效應的鐵磁材料層合在一起可以構成層狀壓電/磁致伸縮磁電復合材料。當外磁場施加在復合材料上，經由磁致伸縮效應，在磁致伸縮材料(或磁致伸縮相)中產生應變，該應變經過界面耦合傳遞到壓電材料(或壓電相)，經由壓電效應產生介電極化。故磁電效應是壓電效應和磁致伸縮效應的乘積效應。層狀磁電復合材料體系克服了以往磁電復合材料體系的電阻率低、不容易極化的缺點，具有結構簡單，易于制備的特點。由于鐵電相與鐵磁相之間沒有相互稀釋混雜，故磁電轉換系數大。層狀復合材料現已成為磁電復合材料研究的重點和熱點，它在室溫下的強磁電效應使磁電復合材料的實際應用成為可能。在層狀磁電復合材料中，磁致伸縮材料一般選擇具有巨磁致伸縮效應的鋱鏑鐵合金(Terfenol-D，TtvxDyxFe2I)。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。當沿長度方向施加直流偏置磁場，其磁致伸縮可以達到150(T2000ppm。也可以是鋱鏑鐵和聚合物(PVDF，聚偏氟乙烯)形成的磁致伸縮復合材料。壓電材料，可以是具有強壓電效應的鋯鈦酸鉛(PZT)系壓電陶瓷或鈦酸鋇(BaTiO3)系壓電陶瓷，或者是壓電陶瓷和聚合物(PVDF，聚偏氟乙烯)形成的壓電復合材料。鋯鈦酸鉛Pb (Zr1Ti)O3 (PZT)系壓電陶瓷是磁電復合材料中經常使用的壓電材料，但是PZT中含量很聞的有毒鉛Pb和錯Zr對人體和環境造成危害。采用鈦酸鋇作為壓電材料，雖然能避免對環境的危害，但以此為壓電材料的磁電復合材料的磁電效應較低。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決現有技術中存在的缺陷，提供一種環保的壓電材料及以此制備的、具有較高磁電效應的環 保的磁電復合材料。為了達到上述目的，本專利技術提供了一種環保型的壓電材料；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，優選1.5:100。上述壓電材料通過以下步驟制備: (1)溶膠-凝膠法制備前驅粉料:取原料碳酸鋇、ニ氧化鈦、三氧化ニ鉻和絡合劑，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下預燒6.0h 6.5h，即得前驅粉料；碳酸鋇中鋇元素的摩爾數等于ニ氧化鈦中鈦元素和三氧化ニ鉻中鉻元素的摩爾數之和；絡合劑與碳酸鋇的摩爾比為3 3.5:1 ； (2)將步驟(1)中制備的前驅粉料在壓片機上壓片制成胚體；將胚體在10.0MPa 10.5MPa、900°C 950°C下燒結10.0h 10.5h,然后置于1300°C 1400 °C下常壓燒結10.0h 10.5h,即得壓電材料。步驟(I)中絡合劑可采用檸檬酸。本專利技術還提供了一種環保的磁電復合材料，該磁電復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。壓電材料極化過程如下:將壓電材料切割打磨成矩形薄片，在薄片上下表面進行燒滲生成銀電極或者采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、強度為9 lOkV/cm的電場中極化至室溫。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。本專利技術相比現有技術具有以下優點:本專利技術制備的壓電材料在XRD (X射線衍射)圖譜上顯示為完好的四方鈣鈦礦結構，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合材料在諧振頻率處實現了較強的諧振磁電效應，提高了單純采用鈦酸鋇作為壓電材料制備的雙層磁電復合材料的磁電電壓系數，具有較強磁電效應。本專利技術制備的磁電復合材料是對環境無危害的環保型材料，且制備的磁電復合材料在高頻環境下具有更強的磁電效應。附圖說明圖1為無摻雜的鈦酸鋇壓電材料和實施例ニ、三中制備的鉻摻雜鈦酸鋇壓電材料的XRD圖譜； 圖2為各實施例中制備的磁電復合材料與對照磁電復合材料的磁電電壓系數cr￡JI隨交流磁場頻率f變化的曲線圖。圖中，a-無摻雜的鈦酸鋇壓電材料，b-實施例ニ中制備的1.0%mol鉻摻雜鈦酸鋇壓電材料，C-實施例三中制備的1.5%mol鉻摻雜鈦酸鋇壓電材料，d-實施例一中制備的磁電復合材料，e-實施例ニ中制備的磁電復合材料，f_實施例三中制備的磁電復合材料，g-實施例四中制備的磁電復合材料，h-對照磁電復合材料。具體實施例方式下面結合實施例對本專利技術壓電材料及磁電復合材料進行詳細說明。實施例一 壓電材料制備: 1、溶膠-凝膠法制備前驅粉料:制備0.5%mol鉻(Cr)摻雜鈦酸鋇(BaTi03)前驅粉體。所用原料為碳酸鋇(BaCO3)、ニ氧化鈦(TiO2)、三氧化ニ鉻(Cr2O3)和檸檬酸CIT (C6H8O7 H2O)。碳酸鋇、ニ氧化鈦、三氧化ニ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攪拌后，放置在加熱磁攪拌儀上，加熱攪拌若干小時，直至燒杯內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，直至水分完全蒸發成固體狀。將固體狀的物質碾磨成細粉，放置在馬弗爐中在400°C下預燒6個小吋，就得到了所需的0.5%molCr摻雜鈦酸鋇的前驅粉料。2、壓片、燒結:將粉料在壓片機上壓片。即將粉料置于壓模中，在SMPa的壓強下加壓約一分鐘，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lOMPa，900°C下熱壓燒結10小吋。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10小時，便得到我們所需要的0.5%molCr摻雜鈦酸鋇壓電材料。磁電復合材料制備: a、壓電材料極化:將制備的壓電材料經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(大約120°C)，并在垂直于陶瓷片上下表面，強度約為lOkV/cm的電場中極化至室溫。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 成雙層磁電復合材料。粘合劑厚本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種壓電材料，其特征在于：所述壓電材料為摻雜鉻元素的鈦酸鋇壓電陶瓷；所述鉻元素與鋇元素的摩爾比為1～1.5：100。

【技術特征摘要】
1.一種壓電材料，其特征在于:所述壓電材料為摻雜鉻元素的鈦酸鋇壓電陶瓷；所述鉻元素與鋇元素的摩爾比為I 1.5:100。2.根據權利要求1所述的壓電材料，其特征在于:所述鉻元素與鋇元素的摩爾比為1.5:100。3.根據權利要求1或2所述的壓電材料，其特征在于:所述壓電材料通過以下步驟制備: (1)溶膠-凝膠法制備前驅粉料:取原料碳酸鋇、二氧化鈦、三氧化二鉻和絡合劑，在蒸餾水中加熱攪拌至均勻融合的半透明液體；將所述半透明液體置于烘箱中烘干，碾磨成粉狀，然后在400°C 450°C下預燒6.0h 6.5h，即得所述前驅粉料；所述碳酸鋇中鋇元素的摩爾數等于所述二氧化鈦中鈦元素的摩爾數和三氧化二鉻中鉻元素的摩爾數之和；所述絡合劑與碳酸鋇的摩爾比為3 3.5:1 ; (2)壓片、燒結:將步驟(I)中制備的前驅...

【專利技術屬性】
技術研發人員：曹鴻霞，
申請(專利權)人：南京信息工程大學，
類型：發明
國別省市：