[發(fā)明專利]一種鈮酸鍶基鈣鈦礦層狀結構無鉛壓電陶瓷及其制備方法

在審

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• 申請日: 2021-10-13
• 公開（公告）號: CN115959906A
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發(fā)明（設計）人: 周志勇;夏燃;董顯林
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495;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(yōu)麗

本發(fā)明涉及一種鈮酸鍶基鈣鈦礦層狀結構無鉛壓電陶瓷及其制備方法。所述鈮酸鍶基鈣鈦礦層狀結構無鉛壓電陶瓷的化學組成為Srsubgt;2?/subgt;subgt;x/subgt;Nbsubgt;2/subgt;Osubgt;7/subgt;，其中0＜x≤0.16。

技術領域

本發(fā)明涉及一種鈮酸鍶基鈣鈦礦層狀結構無鉛壓電陶瓷材料及其制備方法，屬于壓電陶瓷材料的制備領域。

背景技術

高溫壓電振動傳感器在我國航空發(fā)動機的進氣涵道、機匣、渦輪葉片，以及核反堆的燃料組件、控制棒、冷卻管道等關鍵部件的工作狀態(tài)監(jiān)測方面，具有不可替代的重要作用，但國內這一方面卻是空白。因此，我國急需自主開發(fā)高穩(wěn)定高溫壓電振動傳感器，打破國際技術封鎖的壟斷局面。壓電材料是高溫壓電振動傳感器的核心敏感材料。我國研制的高溫壓電陶瓷材料已基本能滿足260℃和482℃壓電振動傳感器的使用要求，但是對更高溫度650℃及以上高溫壓電陶瓷材料的研究還相當少，極大制約了我國高溫壓電振動傳感器的研制進程。鈣鈦礦層狀結構壓電陶瓷由于具有高穩(wěn)定穩(wěn)定性和高的高溫電阻率等特點，是650℃及以上高溫振動傳感器的重要候選材料。

然而，鈣鈦礦層狀壓電陶瓷研制面臨的主要問題包括：(1)介電擊穿場強相對矯頑場強較低，壓電陶瓷難以極化；(2)壓電系數(shù)偏低這些因素極大地制約了鈣鈦礦層狀壓電陶瓷在高溫壓電振動傳感器領域中的應用。

目前，本領域采用固溶第二組元、離子摻雜優(yōu)化組成設計以及織構化工藝調控微結構等手段來提高鈣鈦礦層狀結構壓電陶瓷材料的壓電性。如通過將鈣鈦礦結構的Na_0.5Bi_0.5TiO₃壓電陶瓷引入到Sr₂Nb₂O₇中，將壓電系數(shù)度d₃₃提高至1.0pC/N；通過織構化放電等離子體燒結工藝調節(jié)微結構后，可使鈣鈦礦結構壓電陶瓷的壓電系數(shù)d₃₃提高1.5pC/N。但是，織構化工藝如熱壓、熱鍛、快速等離子體燒結等手段，工藝較為復雜、重復性較差。雖然通過離子摻雜、固溶第二組元以及工藝改進等方式一定程度上提高了鈣鈦礦層狀結構壓電陶瓷的壓電性能，但是壓電系數(shù)仍然偏小。因此，如何在保持鈣鈦礦層狀結構壓電陶瓷高溫電阻率的同時，提高鈣鈦礦層狀結構材料的介電擊穿場強和壓電系數(shù)，是高溫壓電陶瓷應用領域的研究重點和關鍵難題。

發(fā)明內容

針對上述問題，為了保持保持鈣鈦礦層狀結構壓電陶瓷高溫電阻率的同時，協(xié)同提高其壓電系數(shù)，本發(fā)明提供了一種基于非化學計量比的A位Sr離子缺量的方法，通過調整鈣鈦礦層狀結構中氧八面體的傾斜和旋轉以及禁帶寬度大小，獲得了一種具有高壓電系數(shù)、高介電擊穿場強和高的高溫電阻率的無鉛高溫壓電陶瓷，以滿足高溫壓電振動傳感器用高溫壓電陶瓷材料的要求，為鈣鈦礦層狀結構壓電陶瓷材料在650℃及以上高溫領域的應用起到了推進作用。

一方面，本發(fā)明提供了一種鈮酸鍶基鈣鈦礦層狀結構無鉛壓電陶瓷，所述鈮酸鍶基鈣鈦礦層狀結構無鉛壓電陶瓷的化學組成為Sr_2-xNb₂O₇，其中0＜x≤0.16。

本發(fā)明的基于非化學計量比的A位Sr離子缺量的鈣鈦礦層狀結構壓電陶瓷材料壓電性能、電阻性能以及擊穿性能均優(yōu)異，可望應用于溫度高于650℃及以上的高溫領域。

較佳的，采用ZJ-3A型準靜態(tài)d33測試儀測試所述鈮酸鍶基鈣鈦礦層狀結構無鉛壓電陶瓷在室溫25℃下的壓電系數(shù)為(0.8～2.1)pC/N。

較佳的，采用HP4339B高溫電阻測試儀測試所述鈮鍶基鈣鈦礦層狀結構無鉛壓電陶瓷在700℃的直流電阻率為6.7×10⁶～1.1×10⁷Ω·cm。

較佳的，采用SD-DC200kV直流電壓發(fā)生器測試所述鈮酸鍶基鈣鈦礦層狀結構無鉛壓電陶瓷的介電擊穿場強為206.2kV/cm～435.7kV/cm。