[发明专利]压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷材料及其制备方法。更具体地说，本发明涉及一种复合掺杂取代的Bi₅Ti₃FeO₁₅类压电陶瓷材料，这种复合掺杂的Bi₅Ti₃FeO₁₅类压电陶瓷材料不仅具有良好的压电性能，而且还具有优良的高温电阻率，尤其适合高温测量和探测领域。本发明还涉及所述复合掺杂取代的Bi₅Ti₃FeO₁₅类压电陶瓷材料的制备方法。

背景技术

铋层状结构压电陶瓷是压电陶瓷的重要分支之一，具有高居里温度、低介电常数、低老化率、高介电击穿强度、谐振频率的时间和温度稳定性好、较高的机械品质因数和易烧结等特点，同时不含铅，在高温和高频领域有广阔的应用前景。

但是由于该类材料的晶体结构决定了其自发极化转向受二维限制，因此该类材料的压电活性低、剩余极化小。为了提高铋层状结构压电陶瓷的性能，更好的满足各种应用环境的要求，现有技术报道了多种方法对铋层状结构压电陶瓷进行改性。所述改性方法包括掺杂取代、晶粒定向和气氛处理等，取得了较好的结果。

例如，中国专利CN1068571C报道了利用(Na⁺，Ce³⁺)复合置换铋层状结构陶瓷CaBi₄Ti₄O₁₅中的Ca²⁺，改善了陶瓷的压电性能和电阻率。但是这种制备方法需要在半密封的氧化铝坩埚中预合成中间产物，使原料CeO₂中的Ce⁴⁺还原为Ce³⁺。需要注意的是，这种方法在实际生产中不易控制Ce离子的价态，且较一般的合成过程多了一道合成中间产物的工序。

Bi₅Ti₃FeO₁₅作为铋层状结构压电陶瓷材料的一种，近年来对其研究主要集中在结构、磁性能和介电性能方面。例如，X.Y.Mao等人报道了Bi₅Ti₃FeO₁₅的弱的磁性能(Solid State Communications，147(5-6)，186-189，2008)，随后他们通过用Co³⁺掺杂取代Fe³⁺明显的改善了其磁学性能(Applied Physics Letters，95(8)，082901，2009)。

另一方面，现有技术还报道了通过不同的制备工艺，如化学溶液制粉(J.Phys.D：Appl.Phys.41，155418，2008)、晶粒的织构化技术(Integrated Ferroelectrics，71，233-239，2005)制备了Bi₅Ti₃FeO₁₅，改善了其部分电学性能。

长期以来，人们更多的关注Bi₅Ti₃FeO₁₅基陶瓷介电性能的变化和磁学性能的改善，但是忽略了Bi₅Ti₃FeO₁₅基陶瓷压电性能的提高。此外，Bi₅Ti₃FeO₁₅由于其特殊的组分构成(可能含有Fe²⁺和Fe³⁺共存)，使得纯Bi₅Ti₃FeO₁₅的电阻率尤其是高温下的电阻率较低。Bi₅Ti₃FeO₁₅若要作为高温压电传感器件的基础和核心元件，它必须具备较高的高温电阻率。

因此，本领域仍需要开发一种Bi₅Ti₃FeO₁₅类压电陶瓷材料，这种压电陶瓷材料不仅具有良好的压电性能，而且还具有优良的高温电阻率，从而适用于高温测量和探测。

本领域还需要开发一种所述Bi₅Ti₃FeO₁₅类压电陶瓷材料的制造方法。

发明内容