[发明专利]一种钪掺杂铁酸铋压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于压电材料领域，涉及一种钪掺杂铁酸铋陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时，对应端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。因而压电材料在电子科学与技术中的应用极为广泛，已经成为国防工业、民用工业以及日常生活中的重要功能材料，可用于传感器元件中，例如地震传感器，力、速度测量元件以及电声传感器等。

锆钛酸铅（Pb(Zr_xTi_1-x)O₃，x为0-1）陶瓷具有很好的压电性能，但其居里温度一般小于400℃，在高温领域的应用受到限制。钛酸铅（PbTiO₃）陶瓷的居里温度约为490℃，且压电和介电性能均优异，但存在烧结困难、矫顽场大和难极化等缺点。以上两类压电陶瓷中的铅元素会造成环境污染。铁酸铋（BiFeO₃）陶瓷具有较好的压电性，且镧、镝或锰等掺杂的铁酸铋已有报道，但是通常在200℃以上时，其电阻率大幅下降，造成压电性变差，影响其高温应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种可在高温环境下使用的压电陶瓷材料及其制备方法。利用钪掺杂，可获得具有高电阻率、压电性能良好和高居里温度的钪掺杂铁酸铋压电陶瓷材料。

实现本发明目的的技术方案是：一种钪掺杂铁酸铋材料，其陶瓷材料为压电体，分子式为Bi_1-xSc_xFeO₃，其中x为0.01-0.8。

所述的陶瓷材料厚度为0.1-3mm，居里温度为400-800℃，压电常数d₃₃为50-200pC/N，剩余电极化强度为10-40μC/cm²，在25-300℃温度范围内，电阻率随着温度升高而减小，电阻率在10⁵-10¹¹Ω·m内变化。

25℃时电阻率为10⁸-10¹¹Ω·m，150℃时电阻率为10⁶-10¹⁰Ω·m，300℃时电阻率为10⁵-10⁹Ω·m。

一种钪掺杂铁酸铋压电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)   原料的配比与压片成型：以Bi₂O₃、Fe₂O₃和Sc₂O₃为原料，按化合物Bi_1-xSc_xFeO₃的各元素化学计量比称量氧化物，其中，化合物中x为0.01-0.8，将称好的氧化物放入球磨罐中，加入酒精后球磨，将球磨好的料烘干，一定的压力下将粉末压制成陶瓷片；

(2)   将陶瓷放入加热炉中烧结后冷却至室温。

步骤（1）中所述的球料比为3:1，所述的球磨时间为5-12小时，所述的压片压力为1-20MPa。

步骤（2）中，所述的烧结温度为800-950℃，烧结时间为0.1-3小时。

本发明成功地采用按化学计量比配比原料和烧结的方式，将钪元素掺杂到铁酸铋的铋位，获得成分有别于其他现有压电材料、居里温度高的新型陶瓷材料。本发明提供的钪掺杂铁酸铋压电陶瓷材料，其高居里温度和压电常数稳定特性，可广泛用于换能器、驱动器和传感器等领域。

附图说明

图1为Bi_0.99Sc_0.01FeO₃陶瓷的X射线衍射图谱。

图2为Bi_0.9Sc_0.1FeO₃陶瓷的X射线衍射图谱。

图3为Bi_0.8Sc_0.2FeO₃陶瓷的X射线衍射图谱。

图4为Bi_0.2Sc_0.8FeO₃陶瓷的X射线衍射图谱。

具体实施方式

实例1：