[發(fā)明專利]一種消除鐵酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷核殼結(jié)構(gòu)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210003996.6
• 申請(qǐng)日: 2022-01-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114478027B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-01-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董顯林;康文爍;梁瑞虹
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號(hào): C04B35/64
• 分類號(hào): C04B35/64;C04B35/26;C04B35/468;C04B35/622;C04B35/626;C04B41/88
• 代理公司: 上海瀚橋?qū)＠硎聞?wù)所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;牛彥存

本發(fā)明公開(kāi)一種消除鐵酸鉍?鈦酸鋇基壓電陶瓷核殼結(jié)構(gòu)的方法。所述方法包括：將排塑后的鐵酸鉍?鈦酸鋇基壓電陶瓷素坯先升溫至T₁并保溫10分鐘以下，再降溫至T₂并保溫5～15小時(shí)，從而抑制鐵酸鉍?鈦酸鋇基壓電陶瓷核殼結(jié)構(gòu)的形成和提高其微觀結(jié)構(gòu)均勻性以及電化學(xué)均勻性；其中，T₁=950～1100℃，T₂=850～950℃，且T₁比T₂高100~150℃。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種消除鐵酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷核殼結(jié)構(gòu)的方法，屬于壓電陶瓷材料的制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)

壓電陶瓷可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械應(yīng)變和電學(xué)信號(hào)的相互轉(zhuǎn)化，已經(jīng)被制成壓電傳感器、水生換能器、壓電驅(qū)動(dòng)器等器件，用于航空航天、能源、信息電子等高新技術(shù)領(lǐng)域。當(dāng)壓電器件應(yīng)用環(huán)境越來(lái)越極端，比如高溫高壓環(huán)境時(shí)，對(duì)壓電材料提出了更高的要求。在眾多壓電材料中，鐵酸鉍-鈦酸鋇基是少有的高居里溫度(＞450℃)無(wú)鉛壓電陶瓷材料，相對(duì)目前應(yīng)用的鉍層狀壓電陶瓷，其壓電系數(shù)更高(＞100pC/N)，有望制備成為性能更優(yōu)異的高溫壓電陶瓷器件。

為了將鐵酸鉍-鈦酸鋇基無(wú)鉛壓電陶瓷制成高溫驅(qū)動(dòng)器或振動(dòng)傳感器，需要對(duì)其進(jìn)行不同手段的改性，比如若將其作為高溫驅(qū)動(dòng)器，通常的改性手段是用鐵電體與弛豫體復(fù)合，實(shí)現(xiàn)鐵電向弛豫鐵電體的相變，即第二類準(zhǔn)同型相界，獲得較大的電致應(yīng)變值。而若將其作為高溫壓電振動(dòng)傳感器應(yīng)用時(shí)，需要在保證較大壓電系數(shù)的前提下，提高其高溫電阻率，通常的做法是針對(duì)材料的導(dǎo)電機(jī)制進(jìn)行施主或受主摻雜。因此，無(wú)論是作為何種器件應(yīng)用，都要對(duì)其進(jìn)行摻雜或固溶改性。但是發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，對(duì)鐵酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷摻雜或固溶時(shí)，容易形成核為富鐵酸鉍相而殼為富鈦酸鋇相的核殼結(jié)構(gòu)，造成微觀結(jié)構(gòu)不均勻，進(jìn)一步影響電學(xué)性能的均勻性。如Ian M.Reaney等人在對(duì)鐵酸鉍-鈦酸鋇固溶Bi(Mg_2/3Nb_1/3)O₃、Bi(Zn_1/2Ti_1/2)O₃、摻雜Ga、Al等離子時(shí)，若鐵酸鉍含量過(guò)高(≥0.75)時(shí)會(huì)容易形成核殼結(jié)構(gòu)。發(fā)明人在固溶Bi(Mg_1/2Hf_1/2)O₃，摻雜W離子時(shí)也會(huì)發(fā)現(xiàn)相似的現(xiàn)象。為了克服燒結(jié)過(guò)程離子擴(kuò)散傳質(zhì)不均勻形成核殼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，提高鐵酸鉍-鈦酸鋇改性陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)均勻性和電學(xué)性能均勻性，是制備高性能高溫應(yīng)用壓電器件必須要解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)鐵酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷材料在摻雜或固溶改性時(shí)，離子擴(kuò)散傳質(zhì)不均勻，易形成核殼結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種特定的制備工藝，可以抑制鐵酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷核殼結(jié)構(gòu)的形成，改善材料的微觀結(jié)構(gòu)，提高電化學(xué)均勻性，以滿足高溫壓電器件應(yīng)用的要求，推動(dòng)其在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。

對(duì)此本發(fā)明提供一種消除鐵酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷核殼結(jié)構(gòu)的方法，包括：將排塑后的鐵酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷素坯先升溫至T₁并保溫10分鐘以下，再降溫至T₂并保溫5～15小時(shí)，從而抑制鐵酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷核殼結(jié)構(gòu)的形成和提高其微觀結(jié)構(gòu)均勻性以及電化學(xué)均勻性；其中，T₁＝950～1100℃，T₂＝850～950℃，且T₁比T₂高100～150℃。

摻雜或固溶改性后的鐵酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷之所以會(huì)形成核殼結(jié)構(gòu)，是因?yàn)槠湓跓Y(jié)過(guò)程中離子擴(kuò)散傳質(zhì)受到某種離子的抑制。本發(fā)明所述方法設(shè)置合適的燒結(jié)溫度T₁和T₂，設(shè)計(jì)了更長(zhǎng)的保溫時(shí)間，促進(jìn)離子固態(tài)傳質(zhì)擴(kuò)散完成。但是若對(duì)傳統(tǒng)燒結(jié)樣品延長(zhǎng)保溫時(shí)間，容易造成Bi離子揮發(fā)和Fe離子的變價(jià)，在材料內(nèi)部產(chǎn)生大量氧空位，進(jìn)而影響材料的電阻率。本發(fā)明基于此設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)，既提高了燒結(jié)樣品的致密度，又抑制了鐵酸鉍-鈦酸鋇基壓電陶瓷的核殼結(jié)構(gòu)，提高了其電化學(xué)均勻性，可為其他鐵酸鉍基陶瓷借鑒獲得更優(yōu)異的電學(xué)性能并應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。