[發明專利]一種高溫壓電陶瓷材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201410069700.6
• 申請日: 2014-02-27
• 公開（公告）號: CN104230333A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 郭棟;王云麗;蔡鍇
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: C04B35/491
• 分類號: C04B35/491;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

技術領域

本發明涉及電子陶瓷和壓電器件領域，具體涉及一種具有高居里溫度的壓電陶瓷及其制備方法。

背景技術

現代工業的發展對各類聲學換能器及振動傳感器等的高溫環境作業提出了更高的要求，這就要求這些器件所使用的壓電材料具有較高的居里溫度(T_c)。例如，在油井下使用的聲波測井換能器、航天器上使用的壓電驅動器及傳感器、燃料注射噴嘴驅動器以及其他極端環境下使用的各類傳感器等，都需要使用T_c在380℃以上甚至更高的壓電陶瓷。目前最常用的壓電陶瓷鋯鈦酸鉛(PZT)的T_c一般遠低于360℃。因為材料隨溫度升高的逐漸退極化而導致的壓電性能退化問題，其工作溫度上限一般是在其居里溫度的1/2處，因而PZT的使用溫度一般遠低于180℃。因此，研究制備具有高居里溫度的壓電陶瓷對高溫壓電器件的制備具有重要意義。

一般而言，壓電材料的居里溫度越高，其壓電性能會越差。例如公開號為CN1295046的中國專利公開了一種鉍層狀壓電陶瓷，其居里溫度為865℃，但其壓電性能很差，壓電常數d₃₃只有約20pC/N。2001年一種組成為(1-x)BiScO₃-xPbTiO₃(BSPT)的鈣鈦礦結構壓電陶瓷被報道（Japanse?Journal?of?Applied?Physics，Vol40，pp5999-6002），該材料同時具有較好的壓電性能和較高居里溫度(在x=0.64時，其d₃₃約為460pC/N,T_c約為450℃)。然而，原材料Sc₂O₃價格極其昂貴。另外，該壓電材料還有綜合電學性能差(如機械品質因數Q_m過低，導致其能耗高、使用過程中發熱嚴重)，性能不穩定等問題。這都嚴重制約了其實際應用。因此，具有高居里溫度(T_c>400℃)、高壓電常數(d₃₃>460pC/N)及優良綜合電學性能(如高Q_m和低損耗)的壓電陶瓷的制備及相關穩定工藝的開發，一直是該領域亟待解決的一個難題。

發明內容

針對現有壓電陶瓷材料難于同時獲得高居里溫度和高壓電性能，綜合電性能無法同時滿足器件使用要求，或價格昂貴等問題，本發明提供了一種具有高居里溫度、較高壓電系數、機械品質因數得到很大提高且在一定范圍內可調和介電損耗低的新型摻雜低成本高溫壓電陶瓷材料。

本發明提出的高居里溫度壓電陶瓷材料,其具有如下的化學結構通式:(BiYb)_1-xPb_xTi_yZr_x-yO₃+zmol%A，其中x取值范圍為0.91～0.98，y取值范圍為0.45～0.68，z取值范圍為0.05～5，A為改性元素，可以為單一的金屬元素，也可以為多種金屬元素。當該改性元素的離子半徑小于Yb和Ti的金屬元素的離子半徑，且是多價元素時，才具有較好改性作用，但此改性元素不包括Fe。

特別的，當所述改性元素是Mn、Nb和Cr元素中的一種或多種時，該壓電陶瓷才具有更好的綜合性能。

對于優選體系，所述x的取值范圍為0.91～0.98，y取值范圍為0.45～0.68，z取值范圍為0.05～5。此范圍內的壓電陶瓷具有更加優異的性能。更優選的，所述z的取值范圍為0.1～2。

所述高居里溫度壓電陶瓷的制備方法包括以下步驟：

(1)將Bi₂O₃、Yb₂O₃、Pb₃O₄、TiO₂、ZrO₂和改性元素的氧化物或鹽按摩爾比稱量，然后混合研磨得到原料粉體；

(2)將步驟(1)得到的粉體烘干、過篩后預燒，并將預燒得到的塊體再充分研磨；

(3)將步驟(2)研磨得到的粉體烘干、造粒、陳化、過篩后壓制成陶瓷坯體；

(4)經排膠后，將陶瓷坯體于在密封坩堝中在常壓下高溫燒結，制得壓電陶瓷體；

(5)將燒成的壓電陶瓷體打磨、拋光、被銀電極后，在100℃～180℃和3～5kV/mm電場下進行極化。