[發明專利]一種具有高居里溫度的三元系壓電材料及制備方法

有效

• 申請號: 201310384687.9
• 申請日: 2013-08-29
• 公開（公告）號: CN103467081A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 溫建強
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: C04B35/26
• 分類號: C04B35/26;C04B35/622
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊青

技術領域

本發明屬于傳感器領域中的壓電材料及制備，特別涉及一種具有高居里溫度的三元系壓電材料及制備方法，更確切地說涉及一種不僅有高居里溫度而且有良好壓電性能的壓電材料及制備方法。

背景技術

近年來，隨著科學技術的迅猛發展，在石油勘探、航空航天、化工冶金、汽車、核能發電等多個領域，對高溫壓電材料開發提出了日益迫切的要求。如航空器引擎的振動控制、載液態金屬管道的無損探測、鋼鐵和化工工業熱網、電網以及核電工業的高溫流量探測和控制、焊接管道的無損探傷等都屬于惡劣高溫環境。航空航天領域、核能發電、汽車領域對高溫器件有著嚴格的要求。為了正確及時地反映設備的工作狀況，往往需要壓電傳感器在400℃甚至更高的工作環境溫度下工作，如在汽車的動態燃料注射噴嘴的工作溫度可能有300℃，金星表面溫度更是高達464℃。航空發動機振動測量時，為了提高準確性，要求壓電傳感器安裝到發動機內部直接測量發動機轉子軸承的振動，而在發電機內部的溫度環境可能高達400℃。

目前能勝任工作的高溫壓電材料非常少。已有商業化的壓電陶瓷材料大多為鈣鈦礦結構的鋯鈦酸鉛類材料，其居里溫度在350℃左右，可靠的使用溫度通常在150℃以下。這就使得長期以來，壓電單晶材料成為目前高溫壓電器件的主要組成部分。如鈮酸鋰（LiNbO₃）單晶，是目前已知居里溫度Tc最高和自發極化最大的壓電材料。美國Endevco公司的6240M10型高溫壓電加速度計采用的就是鈮酸鋰單晶。瑞士Vibrometer公司的型號為CA250M8XX的產品用于測量噴氣式飛機的引擎振動，所用的高溫壓電材料則是電氣石晶體，在780℃左右的高溫下可長期工作，目前全球幾乎所有航線上的飛機測控都在用，是高穩定性和可靠性的一個極好的例子。然而，這些高溫壓電單晶材料的壓電性能都過低，壓電常數d₃₃不超過20pc/N，輸出電荷的靈敏度遠遠滿足實際需求，加之壓電單晶生產的工藝條件苛刻、技術復雜，成本昂貴，通常在別無他選的情況下，才會迫不得已選用它們。因此，研制新型性能良好的高溫壓電材料一直以來是解決限制其壓電器件應用關鍵技術瓶頸的重要課題。

發明內容：

高溫壓電材料的研究和開發是航空航天、汽車、能源、冶金和石化等領域亟待研究解決的重要課題。難以獲得兼具良好壓電性能和高居里溫度的壓電材料是當前高溫壓電器件應用中亟待解決的技術難題。本發明針對現有技術的不足，提供一種具有高居里溫度的新型三元壓電陶瓷及其制備方法，以滿足為高溫環境下應用壓電器件的要求。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下：

本發明提供的具有高居里溫度的三元系壓電材料，其為BiFeO₃-LiNbO₃-PbTiO₃三元系固溶體，化學組成式為：(1-x-y)BiFeO₃-xLiNbO₃-yPbTiO₃+amolCeO₂+bmolSb₂O₃；

所述的BiFeO₃、LiNbO₃和PbTiO₃為三元系基體；

所述的CeO₂和Sb₂O₃為基體外加組分；

其中：(1-x-y)、x、y、a和b為質量摩爾數，x=0.02-0.10，y=0.28-0.35，a=0.01-0.05，b=0.01-0.05。

本發明提供的具有高居里溫度的三元系壓電材料的制備方法，其步驟如下：