[发明专利]钛镁酸铋－铋锌基钙钛矿－钛酸铅三元系高温压电陶瓷及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷及其制备方法，确切地说是钛镁酸铋-铋锌基钙钛矿-钛酸铅三元系高温压电陶瓷及其制备方法，属于电子元器件制造技术领域。

二、背景技术

高温压电陶瓷材料已经被广泛用于航空航天、汽车、石化、冶金、地址勘探等众多科研与工业部门。随着科学技术的迅猛发展，许多电子设备对压电陶瓷器件的实用范围和应用环境提出更高要求。目前性能优良、使用温度高于400℃的高温压电陶瓷材料非常少。长期以来，压电单晶材料如LiNbO₃单晶由于具有优良的压电性能和高的温度稳定性，已经成为高温压电材料的重要组成部分，但是压电单晶材料工艺复杂，成本很高，使得这种材料难以广泛推广应用。人们希望得到工艺简单，成本低且压电性能好的高温压电陶瓷材料。

目前具有较高居里温度的压电陶瓷材料从结构上基本可以分为钙钛矿结构的压电陶瓷材料和非钙钛矿结构的压电陶瓷材料。而后者如钨青铜结构和含铋层状结构(CN101265093B，CN1239431C)，虽然具有较高的居里温度，然而其压电活性不够，压电常数低且有较大的各向异性，极大地限制其应用。在具有钙钛矿结构的压电陶瓷中，以锆钛酸铅-钛酸铅为基的压电陶瓷虽然性能优越，但居里温度难以超过400℃。除此，目前研究较多的具有高居里点钙钛矿压电陶瓷主要有钪酸铋-钛酸铅，以及钛镁酸铋-钛酸铅的二元系固溶体陶瓷材料。虽然，前者具有较高的居里温度，适当的压电性能和机电耦合性能而被作为高温压电陶瓷材料的候选对象(W.Zhao，X. Wang，J.Hao，H. Wen，L.Li，J.Am.Ceram.Soc.，89，1200-4(2006)；CN101857432)，而得到较广泛的研究。然而其原材料Sc₂O₃的价格昂贵，难以得到大规模的工业化应用；后者虽然也具有较高的居里温度，然而这个组成的压电陶瓷的电导率较高，介质损耗高，难以极化，尽管通过掺杂能在一定程度上改善，却难以兼顾其综合性能。

铋锌基钙钛矿如钛锌酸铋、铌锌酸铋等，具有类似于钛镁酸铋和钪酸铋的钙钛矿结构，同时具有比钛镁酸铋更好的绝缘特性，它同样和钛酸铅可以形成固溶体，并获得显著提高的居里温度。因此，钛镁酸铋、铋锌基钙钛矿和钛酸铅形成三元系压电陶瓷固溶体，有望获得更高的居里温度，从而提高压电陶瓷的高温稳定性，以及更低的介质损耗和更容易的电极化工艺。遗憾的是现有文献中还未见有钛镁酸铋-铋锌基钙钛矿-钛酸铅形成三元系固溶体压电陶瓷的电性能和制备工艺的研究报道。

三、发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种具有良好的压电性能、介电损耗低、居里温度高、价格低廉的钛镁酸铋-铋锌基钙钛矿-钛酸铅三元系高温压电陶瓷及其制备方法。本三元系压电陶瓷组成拥有钙钛矿结构且具有菱形铁电相和四方铁电相的准同型相界。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明钛镁酸铋-铋锌基钙钛矿-钛酸铅三元系高温压电陶瓷的特点在于：其组成由以下通式(1)表达：

(1-n)[uBi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃+v Bi(Zn_xD_y)O₃+(1-u-v)PbTiO₃]+nM..................(1)

通式(1)中n，u，v，x，y为各元素在材料组分中所占的摩尔分数，取值均小于1，0≤n＜0.05，0＜u＜1，0＜v＜1，且2x+ay＝3，其中a为元素D的化合价数；

其中，M选自Cu、Fe、Mn、Nd、Sm、La的金属氧化物中的一种或几种，当M为多种金属氧化物时，通式(1)中的nM用通式(2)表示：

n(m₁M₁+m₂M₂+……+m_mM_m)..............................(2)

通式(2)表示M由m种金属氧化物构成，分别由M₁，M₂，……，M_m表示；m₁表示M₁占M的摩尔分数，以此类推，m₁+m₂+......+m_m＝1；