[發明專利]一種氧化物助燒結劑誘導織構增強鈮酸鈣鉍高溫壓電陶瓷性能的方法

有效

• 申請號: 202210397027.3
• 申請日: 2022-04-15
• 公開（公告）號: CN114560698B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 潘成兵;楊杰;朱雪斌;童鵬;孫玉平
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495;C04B35/622;C04B35/64
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 喬恒婷

本發明公開了一種氧化物助燒結劑誘導織構增強鈮酸鈣鉍高溫壓電陶瓷性能的方法，通過添加氧化物助燒結劑來誘導高溫壓電陶瓷的織構化，從而制備獲得同時具有優異鐵電性能和壓電性能的鉍層狀結構的織構化高溫壓電陶瓷材料；所述高溫壓電陶瓷材料的化學式為CaBisubgt;2/subgt;Nbsubgt;2/subgt;Osubgt;9/subgt;?xwt％M，其中Ca為鈣、Bi為鉍、Nb為鈮、O為氧、M表示氧化物，0＜x≤2.5。本發明獲得的高溫壓電陶瓷具有較優的剩余電極化強度和壓電系數，在高溫電子器件和其它領域將會具有廣泛的應用前景和巨大的潛力。

技術領域

本發明涉及一種高溫壓電陶瓷材料的制備方法，涉及一種氧化物助燒結劑誘導織構增強鈮酸鈣鉍高溫壓電陶瓷性能的方法。

背景技術

壓電陶瓷作為重要的功能材料被廣泛應用于各種電子器件中，如傳感器、能量回收器和換能器。近年來，隨著壓電材料應用范圍的進一步拓展，在一些極端環境下對壓電陶瓷的服役性能提出了新的挑戰。例如，無論是高溫壓電加速度計還是大功率超聲換能器，都必須使用具有高居里溫度的壓電材料，以保證壓電器件在更高的溫度范圍內正常工作。迄今為止，LiNbO₃、GaPO₄、YCa₄O(BO₃)₃、AlN等單晶仍是主要的商用高溫壓電材料。然而，這些單晶的壓電活性較低(4～7pC/N)，制備工藝復雜，成本較高。Aurivillius層狀結構材料因其具有極高的鐵電居里溫度、良好的熱退極化性能和高電阻率而備受關注。與上述單晶相比，具有制備工藝簡單、成本低、更容易通過摻雜和改變工藝來提高性能等優點。其中，鈮酸鈣鉍(CaBi₂Nb₂O₉，CBNO)具有最高的鐵電居里溫度(T_C～940℃)和最高的熱退極化溫度(～800℃)。然而，高矯頑力場和受限于a-b面的自發極化造成的低的約5pC/N的壓電活性，對其實際應用產生不利影響。在提升其性能的方法之中，織構化是一種極為有效的方法，但是現今，想要實現該材料的織構，需要使用特殊的制備工藝，如SPS，熱壓等等。上述制備工藝復雜且昂貴，不利于大規模的制備。

發明內容

本發明針對上述現有技術所存在的問題，提供了一種氧化物助燒結劑誘導織構增強鈮酸鈣鉍高溫壓電陶瓷性能的方法。本發明采用添加氧化物助燒結劑的方法，利用簡單的固相反應法制備出同時具備優異鐵電性能和壓電性能的這類鉍層狀結構的織構化高溫壓電陶瓷材料。

本發明氧化物助燒結劑誘導織構增強鈮酸鈣鉍高溫壓電陶瓷性能的方法，通過添加氧化物助燒結劑來誘導高溫壓電陶瓷的織構化，從而制備獲得同時具有優異鐵電性能和壓電性能的鉍層狀結構的織構化高溫壓電陶瓷材料。

所述高溫壓電陶瓷材料是由鈣、鉍、鈮、氧元素以及氧化物組成的陶瓷。

進一步地，所述高溫壓電陶瓷材料的化學式為CaBi₂Nb₂O₉-x?wt％M，其中Ca為鈣、Bi為鉍、Nb為鈮、O為氧、M表示氧化物，0＜x≤2.5。

所述氧化物為氧化銅、氧化硼或BaO-2B₂O₃共晶體等。不同的氧化物會引起樣品在平行于壓制方向產生c軸擇優取向，不同氧化物增強織構的強度不同。其中BaO-2B₂O₃是由碳酸鋇與B₂O₃按照化學計量比配置而成。

本發明氧化物助燒結劑誘導織構增強鈮酸鈣鉍高溫壓電陶瓷性能的方法，包括如下步驟：

步驟1：按照配比量稱取碳酸鈣、三氧化二鉍、五氧化二鈮以及氧化物，依次分別將碳酸鈣、三氧化二鉍、五氧化二鈮以及氧化物加入到研缽中，在干燥環境中研磨1～2h；

步驟2：將研磨好的粉末裝入15mm的壓片模具中，在壓片機上壓片，壓力為20噸，然后在高溫爐中進行預燒結，燒結結束后隨爐冷卻；