[發明專利]一種鋯錳酸鉍-鈧酸鉍-鈦酸鉛系壓電陶瓷材料及其制備方法

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• 申請號: 202010064453.6
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111269009A
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 董蜀湘;余洋;楊繼昆;羅亮
• 申請（專利權）人: 北京大學;北京航天芯智匯物聯科技有限公司
• 主分類號: C04B35/472
• 分類號: C04B35/472;C04B35/622;H01L41/187;H01L41/29;H01L41/39
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 李稚婷

本發明公開了一種鋯錳酸鉍?鈧酸鉍?鈦酸鉛系壓電陶瓷材料及其制備方法。該壓電陶瓷材料的化學通式為xBi(Mn_1/2Zr_1/2)O₃?(1?x?y)BiScO₃?yPbTiO₃，其中x＝0.02～0.06，y＝0.62～0.67，采用化學計量比的金屬氧化物和/或金屬碳酸鹽為原料，采用傳統的固相反應法即可制得。本發明通過引入具有鈣鈦礦結構鋯錳酸鉍Bi(Mn_1/3Zr_1/2)O₃作為第三元，與鈧酸鉍?鈦酸鉛形成三元系固溶體，大幅降低了材料的介電損耗tanδ，同時還擁有高居里溫度以及優異的壓電性能，在高頻、高電壓驅動，或者高頻聲換能器、傳感器應用方面有著明顯的優勢。同時，該材料制備工藝簡單穩定，同時其較低的燒結溫度有助于制備多層共燒陶瓷元件和節約成本，適于大規模工業生產，具有實際的應用價值和廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于壓電陶瓷材料領域，涉及較高溫度環境下應用的壓電陶瓷材料，具體涉及一種低損耗、高居里溫度的鋯錳酸鉍-鈧酸鉍-鈦酸鉛系壓電陶瓷材料及其制備方法。

背景技術

壓電陶瓷是實現機械能與電能相互耦合和轉化(換能)的一類功能性材料。在先進制造、電子信息、能源探測和國防等領域有著非常廣泛的應用，比如，高溫壓電驅動器、超聲馬達、深井下聲波探測、高溫換能器和傳感器等，壓電陶瓷材料是整個系統的核心部件。因此，壓電陶瓷材料的性能參數，特別是材料的高溫壓電性能和高溫介電損耗，直接決定了系統性能的優劣。較高的居里溫度，一般意味著高的使用溫度；而低的介電損耗，意味著器件或系統在高溫下長期工作的性能穩定性。高溫陶瓷作為傳感器應用，低的介電損耗意味著在高溫下具有更低的噪音信號，因此傳感器具有更高的靈敏度。

目前壓電材料中應用最廣泛的是鋯鈦酸鉛(PZT)基壓電陶瓷，但是這類壓電材料的居里溫度一般在190-350℃范圍。由于壓電材料存在高溫退極化現象，壓電材料在接近居里溫度或在居里溫度以上的工作環境下工作，將不可逆轉的因失去壓電效應而失效。鉍層狀壓電陶瓷雖然具有更高的居里溫度，但是其貧瘠的壓電常數(d₃₃～30pC/N)限制了它的使用。因此，傳統的PZT陶瓷和鉍層狀陶瓷材料不能滿足許多高溫環境下的應用需要。

鈣鈦礦結構鐵電體鈧酸鉍-鈦酸鉛(BiScO₃-PbTiO₃)以其與PZT基陶瓷性能相當的電學性能，同時高達450℃的居里溫度引起人們的關注。但是由于其介電損耗較大，持續在高溫和高頻率下工作會造成嚴重能量損耗，雖然一些研究者還通過引入二氧化錳(MnO₂)、鈮錳酸鉛(Pb(Mn_1/3Nb_2/3)O₃)和銻錳酸鉛(Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃)來獲得降低介電損耗的效果，但是這種方法對介電損耗的抑制程度有限，并且往往還導致壓電性能嚴重退化。

發明內容

本發明的目的在于提供一種低介電損耗tanδ，同時還擁有高居里溫度T_c和優異的壓電性能的材料。為實現該目的，本發明通過引入具有鈣鈦礦結構鋯錳酸鉍Bi(Mn_1/3Zr_1/2)O₃作為第三元，與鈧酸鉍-鈦酸鉛形成三元系固溶體，獲得了一種新的鋯錳酸鉍-鈧酸鉍-鈦酸鉛系高溫壓電陶瓷材料，急劇降低介電損耗，同時保證了其400℃以上的居里溫度和較高的d₃₃。該材料在高溫電子材料領域具有實際的應用價值。

具體的，本發明的技術方案如下：