[发明专利]提高铋层状结构压电陶瓷材料的压电性能以及其温度稳定性的方法

说明书

技术领域

本发明属于压电陶瓷材料的技术处理领域，涉及一种提高铋层状结构压电陶瓷的压电性能及其温度稳定性的极化方法。

背景技术

近年来，随着我国在能源、冶金、航空航天、电子信息等领域的迅速发展，对能在高温下稳定、可靠地监测关键装备(如高速舰船柴油发电机、冶金轧钢机、钢板碾压机和航空发动机等)振动状态的高温振动传感器的需求日益迫切。其中，压电式高温振动传感器是应用最广、品种最多的传感器之一，其最高使用温度在450℃以上。

压电陶瓷材料是高温压电振动传感器的核心元件。铋层状结构压电陶瓷材料由于居里温度较高(650～970℃)、介电损耗较低以及电阻率较高，是目前482℃高温压电振动传感器用高温压电陶瓷材料的唯一技术方案。但由于其压电性能较差(压电系数d₃₃通常在4～9pC/N)，且压电性能在高温下衰减较快、稳定性差，严重制约了铋层状结构压电陶瓷材料在高温环境下的实际应用，也是我国482℃高温压电振动传感器的研制尚未取得突破的瓶颈之一。

目前，本领域通常通过离子掺杂优化组成设计，以及织构化工艺进行晶粒定向等手段可有效提高铋层状结构压电陶瓷材料的压电性能，如W⁶⁺改性Na_0.5Bi_2.5Nb₂O₉陶瓷材料的d₃₃从10pC/N提高到22pC/N以上，织构化的CaBi₂Nb₂O₉陶瓷材料的d₃₃从7pC/N提高到20pC/N。但是，由于铋层状结构压电材料的晶体结构决定了其极化受二维方向的限制，矫顽场较高，导致极化困难。因此，铋层状结构压电陶瓷材料极化条件极为苛刻，通常需在高温(＞160℃)和强场(＞12kV/mm)条件下才可能完成(传统的PZT压电陶瓷材料在80～120℃和2～5kV/mm条件下即可完成)。实际极化过程中发现，高电场强度极化可较为充分地激发出陶瓷材料的压电性能，但是也极易导致陶瓷材料出现崩边和击穿现象；在较低电场强度下极化，虽然陶瓷材料崩边或被击穿的概率大大降低，但是由于极化不充分，材料的压电性能和温度稳定性极差。因此，如何从极化工艺技术的角度，充分极化铋层状结构压电陶瓷材料，同时避免出现崩边或击穿现象，提高成品率，是本领域的关键难题。

发明内容

本发明旨在克服现有铋层状结构压电陶瓷的压电性能及其温度稳定性方面的缺陷， 本发明提供了一种提高铋层状结构压电陶瓷材料的压电性能以及其压电性能随温度稳定性的方法。

本发明提供了一种提高铋层状结构压电陶瓷材料的压电性能以及压电性能随温度稳定性的方法，所述方法包括，将铋层状结构压电陶瓷材料样品依次进行第一次极化处理、去极化处理以及第二次极化处理，其中，所述第一次极化处理和第二次极化处理均在第一温度和第一电场强度下进行，所述去极化处理为在第二温度下进行的退火处理，所述第一温度为150～200℃，第一电场强度比所述铋层状结构压电陶瓷材料的临界击穿电场强度低10％～30％，第二温度比所述铋层状结构压电陶瓷材料的居里温度高20～80℃。

较佳地，所述第一电场强度为强度10～14kV/mm。

较佳地，所述第二温度比所述铋层状结构压电陶瓷材料的居里温度高50～80℃。

较佳地，所述铋层状结构压电陶瓷材料样品的厚度为0.5～1mm。

较佳地，所述铋层状结构压电陶瓷材料为Na_0.5Bi_2.5Nb₂O₉基陶瓷材料。

较佳地，所述第一次极化处理和第二次极化处理的时间分别为20～40分钟。

较佳地，所述去极化处理的工艺参数包括：以3～5℃/分钟将样品加热至第二温度并保温4～8小时。

本发明的有益效果：

本发明公开了一种提高铋层状结构压电陶瓷材料压电性能及其温度稳定性的二次极化方法，其具体步骤是首先将铋层状结构压电陶瓷材料在高温和较低电场强度(10～14kV/mm)条件下进行第一次极化，然后将极化后陶瓷材料在高温下(高于陶瓷材料居里温度20～80℃)退火，以完全去极化，最后将去极化后陶瓷在与第一次极化相同条件下进行第二次极化。采用本发明所述方法可提高陶瓷材料的压电性能及其温度稳定性，同时保证在极化过程中无崩边或者击穿现象，为铋层状结构压电陶瓷的实际高温应用起到了推进作用。

附图说明