[發明專利]壓電陶瓷及其制備方法、壓電裝置及其應用

有效

• 申請號: 201811079607.8
• 申請日: 2018-09-18
• 公開（公告）號: CN108947519B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 冷森林;石維
• 申請（專利權）人: 銅仁學院
• 主分類號: C04B35/453
• 分類號: C04B35/453;C04B35/622;C04B35/626;C04B35/634;C04B35/638;H01L41/187;H01L41/18
• 代理公司: 北京超凡宏宇專利代理事務所(特殊普通合伙) 11463
• 代理人: 程曉

本發明提供了一種壓電陶瓷及其制備方法、壓電裝置及其應用，屬于壓電陶瓷技術領域。本發明提供了一種壓電陶瓷，所述壓電陶瓷的化學式為(1?n)wt％M1_x/2M2_1?xBi_4+x/2Ti₄O₁₅+n wt％M，式中，0≤x≤1，0＜n≤0.5；M1為堿金屬，M2為堿土金屬，M為+2～+4價金屬形成的金屬氧化物。該壓電陶瓷兼具較高的居里溫度(在650?700℃范圍內)、較高的壓電系數(在15?25pC/N范圍內)和較優異的溫度穩定性(25?500℃變化率在10?25％范圍內)；且該壓電陶瓷采用固相燒結合成方法即可制備得到，工藝穩定可靠，重復性好，適合工業化生產。

技術領域

本發明屬于壓電陶瓷技術領域，具體涉及一種壓電陶瓷及其制備方法、壓電裝置及其應用。

背景技術

壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料，壓電陶瓷利用其材料在機械應力作用下，引起內部正負電荷中心相對位移而發生極化，導致材料兩端表面出現符號相反的束縛電荷即壓電效應而制作，可用于制成各類傳感器、換能器、驅動器等器件。其中，壓電傳感器是利用壓電材料的正負壓電效應原理工作的一種器件，正壓電效應是當壓電材料受到應力或應變時產生相應的電荷，即電信號；負壓電效應是當壓電材料受到電場力的作用下產生應變，即機械信號；利用這一原理壓電材料可以做成各類接收和發射型傳感器，其典型應用是聲納、航模、汽車門鎖、倒車雷達、空調遙控器等，但這些應用都是常溫條件下的應用。

隨著現代科學技術的發展，航空航天、地質勘探、石油化工、新能源等領域需要能夠在更高溫度下工作的壓電傳感器，例如，需要能夠在400℃以上的高溫環境下工作，而一般鈣鈦礦型壓電陶瓷傳感器受居里溫度等的制約很難應用于這么高的溫度。

鉍層狀壓電陶瓷雖然具有較高的居里溫度(T_c≈700℃)、低介電常數和低老化率等特性，溫度穩定性可滿足高溫使用要求，但鉍層狀壓電陶瓷的壓電系數較低(d₃₃≈10pC/N)，很難滿足實際應用要求。即使某些高溫壓電陶瓷通過定向的制備方法，可以使得壓電系數提高到17pC/N，但是由于定向工藝復雜，工藝穩定性差，如無法有效控制籽晶的生長，很難實現工業化生產。

因此，所期望的是提供一種具有較高的居里溫度、較高的壓電系數、較優異的溫度穩定性且能夠大規模生產的壓電陶瓷，能夠解決上述問題中的至少一個。

鑒于此，特提出本發明。

發明內容

本發明的第一個目的在于提供一種壓電陶瓷；該壓電陶瓷兼具較高的居里溫度、較高的壓電系數、較優異的溫度穩定性。

本發明的第二個目的在于提供上述壓電陶瓷的制備方法；本發明壓電陶瓷采用固相燒結合成方法即可制備得到，工藝穩定可靠，得到的產品具有一致性，重復性好，性能優良，適合工業化生產。

本發明的第三個目的在于提供一種壓電裝置，該壓電裝置為傳感器、換能器或驅動器，包含上述壓電陶瓷。

本發明的第四個目的在于提供上述壓電裝置在航空航天、地質探測、石油勘探或能源汽車中的應用。

根據本發明第一個方面，提供了一種壓電陶瓷，所述壓電陶瓷的化學式為(1-n)wt％M1_x/2M2_1-xBi_4+x/2Ti₄O₁₅+n wt％M，式中，0≤x≤1，0＜n≤0.5；M1為堿金屬，M2為堿土金屬，M為+2～+4價金屬形成的金屬氧化物。

作為進一步優選的技術方案，式中，0.2≤x≤0.6。

作為進一步優選的技術方案，式中，0.1≤n≤0.3。

作為進一步優選的技術方案，所述M1為Li、Na和K中的至少一種，優選為Na和K中的至少一種。