[发明专利]铋层状复合结构压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种铋层状复合结构压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷是一种能够将电能和机械能相互转化的功能性陶瓷材料。该材料在外电场作用下会产生应变，而在机械力作用下材料内部的正负电荷中心发生相对位移，从而在材料的两极产生相反电荷。压电陶瓷被广泛的用于滤波器、换能器、传感器等领域。压电陶瓷一般是铁电体，在居里温度附近压电性会消失。近年来航空航天汽车工业等对其使用的各种压电器件在高温环境下工作性能需求不断提高，具有高居里温度的压电陶瓷需求日趋迫切。然而，传统的锆钛酸铅(PZT)的居里温度约为300℃到370℃左右。因为温度升高引起退极化而导致的压电性不稳定问题，其工作温度上限一般是在其Tc的1/2处，因而PZT的使用温度一般远低于180℃。

铋层状结构压电陶瓷是一类重要的具有超高居里温度(550℃-950℃)的压电陶瓷，但其压电性能较差，而矫顽电场高，电阻率低，难于制备结构均匀瓷体等问题也导致其不容易被极化。另外，与常规陶瓷类似，该类陶瓷通常用固相反应法制备，相关工艺较繁琐，样品的均一稳定性难于控制，且综合电性能难于调控。因此如何制备具有超高居里温度和较好压电性能的含铋层压电陶瓷及改善其工艺，是该领域研究的重要内容，对相关器件的开发也具有重要意义。

发明内容

本发明实施例提供了一种铋层状复合结构压电陶瓷材料及其制备方法。该压电陶瓷材料具有很高的居里温度、优良的压电性能和可调的综合电性能，可用于各种高温压电器件。

第一方面，本发明实施例提供了一种铋层状复合结构压电陶瓷材料，化学通式为：[Ca_1-xMe_xBi₂Nb_2-2yMe’_2yO₉]_1-z-[Bi_3-aMe_a(TiNb)_1-bMe’_2bO₉]_z；

其中，Me和Me’分别为适合不同晶格位置的掺杂元素，Me为Li、Mn、Ce中的一种或多种，Me’为Ta、W中的一种或多种；x、y、z、a、b分别为摩尔分数，0≤x≤0.05，0≤y≤0.05，0≤a≤0.05，0≤b≤0.05，0.2≤z≤0.8。

第二方面，本发明实施例提供了一种如上述第一方面所述的压电陶瓷材料的制备方法，所述制备方法包括：

将碳酸钙、氧化钛、氧化铋、五氧化二铌、碳酸锂、碳酸锰，和掺杂元素Me和/或Me’的氧化物或盐，按照化学计量比Ca_1-xMe_xBi₂Nb_2-2yMe’_2yO₉(简称为CBN)和Bi_3-aMe_a(TiNb)_1-bMe’_2bO₉(简称为BTN)，分别进行称量配料，得到用于制备CBN的第一种原始粉料和用于制备BTN的第二种原始粉料；其中，Me和Me’分别为适合不同晶格位置的掺杂元素，Me为Li、Mn、Ce中的一种或多种，Me’为Ta、W中的一种或多种；x、y、z、a、b分别为摩尔分数，0≤x≤0.05，0≤y≤0.05，0≤a≤0.05，0≤b≤0.05，0.2≤z≤0.8；

将所述第一种原始粉料和所述第二种原始粉料分别以水或乙醇为介质进行球磨，得到第一浆料和第二浆料，并将所述第一浆料和第二浆料分别烘干、研磨并过筛，得到第一原始粉料和第二原始粉料；

将第一原始粉料置于坩埚中煅烧，得到具有铋层状结构的CBN粉体；将第二原始粉料置于坩埚中煅烧，得到具有铋层状结构的BTN粉体；

将所述CBN粉体和所述BTN粉体按所需比例称量配料混合后，加入浓度为1wt％～6wt％的聚乙烯醇PVA溶液，在研钵中研磨均匀后，造粒并过筛得到混合粉料(简称CBTN)；

将所述CBTN压制成陶瓷坯体；

将所述陶瓷坯体置于坩埚中加热进行排胶后，烧结制得压电陶瓷体；

将所述压电陶瓷体打磨、抛光、涂覆金属电极后，在硅油中加热并施加极化电压进行极化，降温后即得到所述压电陶瓷材料。

优选的，所述煅烧的温度为600℃～900℃，时间为1.5～5小时。

优选的，所述过筛具体为：使用150～200目的筛子进行过筛。