[发明专利]一种压电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本申请涉及压电材料，特别涉及其压电性能具有高温度稳定性的铁电压电材料及相关的制造方法。

背景技术

钙钛矿铁电材料是一类重要的功能材料，广泛应用于传感器、制动器、驱动器、执行器等压电器件领域。近年来，随着我国在能源、航空航天、电子信息等领域的发展，对高温下稳定、可靠的压电元器件需求日益迫切，需要压电器件能稳定运行，压电材料有良好的温度稳定性。目前广泛使用的是ABO₃型的单相或复合钙钛矿结构的铁电压电材料。这些材料具有优异的压电性能，但另一方面由于材料的压电性能强烈的依赖于温度，随着使用温度的提高存在严重的退极化，导致压电性能降低，温度稳定性差，从而影响器件的稳定性。例如对于Pb(Zr_xTi_1-x)O₃(PZT)基的压电材料而言，其使用温度基本都在居里温度的一半以下，严重的限制了其的应用。研究表明造成铁电压电材料的压电性能温度稳定性差的主要原因是材料在低温用电场极化处理后，其极化随着温度的升高，本来在低温极化后有序排列的电畴向无序化转变而造成退极化，因而引起压电性能在远低于铁电材料居里温度时大大减弱甚至消失，使得铁电压电材料的实际使用温度远远低于居里温度。

发明内容

为解决上述铁电压电材料的热稳定性问题，本申请的发明人对于压电材料压电性能的温度稳定性进行了深入研究，通过在材料中引入稳定自发极化或稳定有序畴排列的因子，即在电场极化后的铁电压电材料，提供稳定极化方向的一种驱动力和极化向无序转变的一种回复力，解决了压电性能温度稳定性差的问题，提高了压电材料压电性能的温度稳定性。

根据本申请的一个方面，提供一种铁电压电材料，其特征在于，所述铁电压电材料选自具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料中的至少一种；所述缺陷极化方向与钙钛矿型晶体材料自发极化的方向一致。

其中，所述“缺陷极化方向与钙钛矿型晶体材料自发极化的方向一致”指铁电压电材料中所有缺陷极化和钙钛矿型晶体材料中所有自发极化均向着相同的方向，呈一致性。即，不仅在一个钙钛矿晶胞内，缺陷极化方向与晶体本身的极化方向一致，并且所有晶胞的极化方向(连同缺陷极化方向)均一致，呈高度有序性排列。

具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料中的点缺陷产生的方法主要有：(1)在制备过程中存在元素的变价、挥发等行为，为了电价平衡而出现点缺陷，例如氧空位等；(2)通过向ABO₃型钙钛矿的A位或B位添加摻杂离子，从而引入点缺陷，例如各种空位。

优选地，所述具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料的化学式为：

A(B_xM_y)O₃；

其中，x＝0.7～1，y＝0～0.3且x+y＝1；

A选自Ba和/或Pb；

B选自Zr、Ti、Mg、Zn、Ni、Sc、Yb、Y、Lu、Ho、In、Ta、W中的至少一种；M为掺杂元素，选自Sn、Mn、Fe中的至少一种；B和M占据相同的晶体学位置。

A(B_xM_y)O₃由掺杂元素M向ABO₃中掺杂元素M得到，掺杂元素部分替代钙钛矿型晶体材料ABO₃中B的位置。

作为一种实施方式，所述ABO₃中是BaTiO₃、Pb(Zr,Ti)O₃或Pb(B₁,B₂)O₃；其中B₁选自Mg、Zn、Ni、Sc、Yb、Y、Lu、Ho、In中的至少一种；B₂选自Nb、Ta、W中的至少一种。

优选地，所述具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料的结构为三方晶系和/或四方晶系。

所述铁电压电材料包括但不限于单晶材料、多晶材料、陶瓷或膜。

所述铁电压电材料的使用温度最高可达居里温度。

根据本申请的又一个方面，提供上述铁电压电材料的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

a)得到具有点缺陷的钙钛矿型晶体材料；

b)通过外加电场的方法，使缺陷极化方向与钙钛矿晶体材料的极化方向一致。

所述缺陷极化方向与钙钛矿晶体材料的极化方向呈高度有序排列。