[發明專利]一種壓電陶瓷材料、其制備方法及壓電陶瓷傳感器

有效

• 申請號: 202010955959.6
• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN112225550B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 李春;李立新
• 申請（專利權）人: 廣東天瞳科技有限公司
• 主分類號: C04B35/40
• 分類號: C04B35/40;C04B35/622;C04B35/626;C04B35/64;G01L1/14
• 代理公司: 廣州駿思知識產權代理有限公司 44425
• 代理人: 潘桂生

本發明涉及一種壓電陶瓷材料、其制備方法及壓電陶瓷傳感器。所述壓電陶瓷材料為釤、鈧共摻雜鐵酸鉍?鈦酸鋇?鈦酸鍶壓電陶瓷材料，其是由鐵電材料BiFeO₃、BaTiO₃和SrTiO₃通過摻雜稀土元素Sm、Sc并固相燒結制成，具有以下化學通式：0.4Bi_0.85Sm_0.15Fe_0.95Sc_0.05O₃?0.27BaTiO₃?0.33SrTiO₃。所述壓電陶瓷材料利用Sm和Sc摻雜改性純鐵酸鉍?鈦酸鋇?鈦酸鍶材料，通過Sm取代鐵酸鉍晶格中的Bi，進而避免了燒結過程中溫度過高導致較多的Bi的揮發，使得化學計量比失衡，從而產生較多的雜相，同時電阻率急劇下降的技術問題；此外利用Sc的摻雜能夠提高Fe³⁺的穩定性，有效抑制Fe³⁺向Fe²⁺的轉變，進而避免兩種價態鐵離子之間的電荷流動，有效提高電容器電介質的壓電性能。

技術領域

本發明涉及壓電陶瓷傳感器技術領域，具體涉及一種壓電陶瓷材料、其制備方法以及壓電陶瓷傳感器。

背景技術

壓電材料是一類能夠實現機械能與電信號之間相互轉換的功能材料，在國民生活、機械制造、航空航天、探測、軍事國防等領域廣泛應用。壓電材料包含壓電單晶、壓電陶瓷、壓電高分子以及壓電復合材料等幾大類。其中，壓電陶瓷由于其合成工藝簡單、合成成本低、壓電性能優異以及組分可調等特點，占據著壓電材料市場主導地位。

目前，Pb(Zr,Ti)O₃(PZT)陶瓷材料擁有優異的介電和壓電性能，居里溫度T_c＝360℃是高溫壓電陶瓷的熱門材料。然而，PZT陶瓷材料在200℃以上的溫度無法安全工作，同時Pb易揮發，對環境和人體的污染不可忽略。因此研究具有高的居里溫度和優異壓電性能的無Pb陶瓷體系是日益增長的汽車制造、航空、石油化工等領域的迫切需要。目前無Pb壓電陶瓷體系主要有鈦酸鋇基(BaTiO₃)，鈦酸秘鈉基(Bi_0.5Na_0.5TiO₃)，酸鉀鈉基(KNaNbO₃),秘層狀基、鎢青銅基、鋁酸秘基(BiAlO₃)以及鐵酸秘基(BiFeO₃)等陶瓷體系。其中BiFeO₃基陶瓷由于其高的居里溫度(T_c＝830℃)和尼爾溫度(T_N＝370℃)使得其在電子器件等領域有廣闊的應用前景。然而，由于該體系的壓電陶瓷在燒結過程中，Bi³⁺易揮發，以及Fe³⁺被還原為Fe²⁺，產生了大量的氧空位缺陷，導致室溫下電阻率低、漏電流大，造成絕緣性能差以及介電損耗高等缺陷，不利于BiFeO₃陶瓷的制備和高電場極化，限制了其實際應用。

為了提高BiFeO₃基壓電陶瓷的性能，目前主要通過優化制備工藝，如采用水淬法、快速液相燒結法、A、B位元素摻雜，如A位摻入Sm³⁺、La³⁺,Nd³⁺等離子，B位摻入Al³⁺,Sc³⁺,Ti⁴⁺等離子，與其他穩定ABO₃結構形成固溶體等方式，如:BaTiO₃，SrTiO₃，NaNbO₃等，其中，BiFeO₃-BaTiO₃基材料相比于純的BiFeO₃基材料結構更加穩定，絕緣性能和壓電性能更好，但是其在高溫和高電場下的應用受到限制。

發明內容

基于此，本發明的目的在于克服現有技術中存在的缺點，提供一種壓電陶瓷材料，其具有良好的壓電性能，較高的居里溫度，優異的疲勞特性等優點。

本發明的具體技術方案為：