[發明專利]一種鉛基鈣鈦礦結構高溫壓電陶瓷及其制備方法

有效

• 申請號: 202010119516.3
• 申請日: 2020-02-26
• 公開（公告）號: CN111170736B
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發明（設計）人: 董顯林;董亞珠;周志勇
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/472
• 分類號: C04B35/472;C04B35/622;C04B41/88
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明涉及一種鉛基鈣鈦礦結構高溫壓電陶瓷及其制備方法，所述鉛基鈣鈦礦結構高溫壓電陶瓷的化學組成為(1?x)[0.36BiScO₃?0.64PbTiO₃]?xBi(Sn_1/3Nb_2/3)O₃，其中0＜x≤0.03。

技術領域

本發明屬于壓電陶瓷材料的制備領域，涉及一種鉛基鈣鈦礦結構高溫壓電陶瓷及其制備方法。

背景技術

壓電材料作為一類能使電能和機械能相互轉換的功能材料，廣泛應用于電子通訊、醫療設備、航空航天等領域。壓電材料分為壓電單晶、壓電陶瓷、壓電高分子以及壓電復合材料等，但是壓電陶瓷因其優異的壓電性能，豐富的組分可調性及簡單的制備工藝，占據了大部分的市場份額，在很多器件中都有著無法替代的作用，擁有著非常廣闊的前景。

如今工業和科學技術的發展，在原子能、能源、航空航天、汽車等領域，都需要在高溫惡劣環境中工作的高精度驅動器、探測換能器等壓電器件，故而使用溫度在300℃以下的鋯鈦酸鉛陶瓷已經不能滿足高溫使用要求。居里溫度高于鋯鈦酸鉛100℃的BiScO₃-PbTiO₃高溫壓電陶瓷成為了使用溫度在200-400℃最具有競爭力的材料。

本領域主要通過制備工藝、離子取代、固溶新元等手段來降低原材料的成本和調控BS-PT高溫壓電陶瓷的性能。利用兩步燒結法制備出來納米級的BiScO₃-PbTiO₃陶瓷，壓電系數提高到520pC/N(J.Am.Ceram.Soc.91,2008:121-126.)，但是改進制備工藝的重復性很差，成本較高；利用Nb(J Am Ceram Soc.2007；90(2):477-482.)、Fe(ApplPhys Lett.2005；87(24):242901.)、Co(ApplPhys Lett.2008；92(14):142905.)等取代Sc，居里溫度保持為400℃以上，壓電系數卻降至180～300pC/N；在BiScO₃-PbTiO₃中固溶Pb(Cd_1/3Nb_2/3)O₃(J.Appl.Phys.2013；114(2):027014.)、Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃(J.Appl.Phys.2013；113(14):144102.)、Pb(Nb_1/3Mn_2/3)O₃(J.Eur.Ceram.Soc.2019；39(7):2348-2353.)等壓電系數都是大于300pC/N，居里溫度降至130～317℃；中國專利CN103936412A公開了一種BiScO₃-xPbTiO₃-0.05Pb(Sn_1/3Nb_2/3)O₃壓電陶瓷，同時具有較高的居里溫度(400～420℃)和壓電系數(370～560pC/N)，但室溫應變為0.10～0.25％，剩余極化強度為30～42μC/cm²(Adv.Funct.Mater.2019,29,1807920)。因此固溶新元成為了提高高溫壓電陶瓷材料的綜合壓電性能和居里溫度的重要研究手段。

發明內容

本發明針對現有壓電陶瓷材料居里溫度和綜合壓電性能無法同時滿足特定指標的情況，提供一種具有高居里溫度、壓電系數較高、剩余極化強度大、應變大及溫度穩定性優異的鉛基鈣鈦礦結構高溫壓電陶瓷材料。

第一方面，本發明提供一種鉛基鈣鈦礦結構高溫壓電陶瓷，所述鉛基鈣鈦礦結構高溫壓電陶瓷的化學組成為(1-x)[0.36BiScO₃-0.64PbTiO₃]-xBi(Sn_1/3Nb_2/3)O₃，其中0＜x≤0.03。