[发明专利]高居里温度铋层状(BLSF)压电陶瓷的合成与烧结工艺

说明书

本发明涉及压电陶瓷的生产工艺。

铋层状(BLSF)压电陶瓷的化学通式为(Bi₂O₂)²⁺(A_m+1B_mO_3m+1)^2-，它由(Bi₂O₂)²⁺层和钙钛矿层(A_m+1B_mO_3m+1)^2-按一定规则共生排列而成，其中A位适合于12配位的1、2、3、4价离子或它们的复合，如：K⁺、Na⁺、Ca²⁺等；B位适合于八面体配位的离子或它们的复合，如：Fe³⁺、Ce³⁺、Cr³⁺、Ti⁴⁺、W⁶⁺等；m为一整数，对应钙钛矿层((A_m+1B_mO_3m+1)^2-内的八面体层数，其值一般为1～5。这类压电陶瓷具有低介电常数、高居里温度(Tc)、机电耦合系数各向异性明显、低老化率、高电阻率、大的介电击穿强度、低烧结温度等。基于以上原因，铋层状压电陶瓷特别适用于在高温、高频场合的应用。但由于此类的压电陶瓷材料的化学组成与结构均十分复杂，在制备过程中，往往由于小的外来因素的波动，会导致局部组成的涨落与局部的不均匀，进而使晶相结构不一致，特别是层数m的不一致，并最终使陶瓷元件的性能低下和一致性差。正由于这种原因，虽然在制备技术方面，有人用将原料经球磨机混合、研磨或熔盐法制备定向粉体及用热压、热锻法制备压电陶瓷坯件并进行单片极化等，已取得一定效果(详见表1)，可是这些结果均尚停留在100～200克范围的实验室试制阶段，对于实验室制备与批量生产间的差别主要表现在制备量的大小上面，前者100-200克，后者需达3-5公斤，制备量大之后，就很容易产生化学组成的不均匀，相结构的不均匀和显微结构的不均匀上，而这三个不均匀，对铋层状压电陶瓷成品性能的影响甚大，而由于热压成型，是将合成粉料在加热条件下通过模具直接压制而成，一次一片，很难形成大规模生产，热锻亦存在类似问题；用球磨法制粉，因研磨球中微量杂质进入粉体，而影响粉体的成份；而熔盐法制取定向粉体，更由于原料本身溶解度极小，要取得大批量的产物更是费工费时，无法实现批量生产。因而当材料组成、结构、性能以及应用确定之后，寻找大批量生产制备技术就显得十分需要，尤其是陶瓷生产过程的整体配套工艺，而这方面的工作，目前尚未见报导。

本发明的目的在于：为铋层状(BLSF)压电陶瓷批量生产，提供一套合成与烧结工艺，使之在已有工作的基础上，在确保陶瓷材料的最佳性能的同时，实现这类陶瓷的批量生产，为广泛的应用，提供足够数量的、性能优良的、一致性好的高Tc铋层状压电陶瓷元件。

本发明的技术方案包括：采用细颗粒、化学纯试剂为原料，将通式(Bi₂O₂)²⁺(A_m+1B_mO_3m+1)^2-中的A位离子氧化物或置换A位离子的微量离子氧化物，其中A为适合于12配位的1、2、3、4价离子或它们的复合，如：K⁺、Na⁺、Ca²⁺等；B为适合于八面体配位的离子或它们的复合，如：Fe³⁺、Ce³⁺、Cr³⁺、Ti⁴⁺、W⁶⁺等；m为一整数，分别与超细高纯的Bi₂O₃、TiO₂、CaCO₃，按通式的化学计量混合后在400～1100℃下进行粉料的多循环合成，以及将粉料浇注成型所得的生坯在1150～1200℃的条件下进行多循环烧结，其具体过程为：