[发明专利]一种高电阻率、高压电活性钛酸铋钙基高温压电陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高电阻率、高压电活性钛酸铋钙基高温压电陶瓷及其制备方法，采用CaBi₄Ti₄O₁₅体系压电材料为基础，在Ti位按照一定的摩尔比掺入Mn、Ta，采用固相合成方法，制备得到此类新型铋层状结构压电陶瓷材料，该压电陶瓷材料的通式为CaBi₄Ti_4‑x(Mn_1/3Ta_2/3)_xO₁₂，其中0x≤0.1。与现有技术相比，本发明获得的压电陶瓷材料，主要性能参数d₃₃＝24pC/N，T_C＝793℃，在400℃时，ρ＝9.63×10⁷Ω·cm，此外制备工艺稳定可靠，生产成本低，易于实现工业化生产，在高温领域具有良好的应用前景。利用这种材料制得的陶瓷元件，组装成各种压电传感器，能够运用在航天航空、石油化工等特殊高温环境下。

技术领域

本发明涉及一种铋层状结构钛酸铋钙高温压电陶瓷材料的制备方法，具体涉及一种Mn/Ta共掺杂的铋层状结构钛酸铋钙(CaBi₄Ti₄O₁₅)压电陶瓷材料的制备，属于压电陶瓷材料领域。

背景技术

目前，应用最广的压电材料主要是钙钛矿结构的PZT基压电陶瓷，但是这类压电陶瓷的居里温度一般在390℃以下，由于压电材退极化现象的存在，压电材料在居里温度以下无法正常工作。随着航空料航天、地质勘探等工业的飞速发展和人类社会可持续发展的需求，因此有必要寻求一种居里温度高，压电性能优异的环境友好型压电材料。

由于居里温度高、耐疲劳性能好，铋层状结构的陶瓷被认为是高温压电材料的理想选择。铋层状结构的陶瓷材料是由(Bi₂O₂)²⁺层和钙钛矿结构的晶格层相互交替叠加而成的，其化学通式为(Bi₂O₂)²⁺(A_m-1B_mO_3m+1)^2-，上式中A为适合十二面体配位的离子，如Na⁺，Ca²⁺，La³⁺等，B为适合八面体配位的离子，如Ti⁴⁺，Nb⁵⁺，Ta⁵⁺等，m为整数，取值为1到6。钛酸铋(CaBi₄Ti₄O₁₂)是m＝4的铋层状结构材料，其居里温度高达790℃，压电常数d₃₃约为7pC/N，与实际应用相比，虽然居里温度满足高温下的使用要求，但是其压电性能达不到应用要求(d₃₃20pC/N)。因此，如何在不降低居里温度的同时提高压电性能以获得高温范围内稳定使用的铋层状压电陶瓷材料成为压电陶瓷材料领域研究的一个重要课题。

目前，尚未见以Mn/Ta共掺杂来提高铋层状结构钛酸铋钙(CaBi₄Ti₄O₁₅)压电陶瓷材料性能的相关报道。

发明内容

针对上述现有技术不足，本发明的目的是提供一种高电阻率、高压电活性钛酸铋钙基高温压电陶瓷及其制备方法，利用Mn、Ta元素对铋层状结构钛酸铋钙(CaBi₄Ti₄O₁₅)压电陶瓷材料进行共掺杂改性，在不降低居里温度温度的同时，提高其压电性能，制备出一种新型的、环境友好型的压电陶瓷材料。

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供以下技术方案：

一种高电阻率、高压电活性钛酸铋钙基高温压电陶瓷，其特征在于，该压电陶瓷的化学通式为CaBi₄Ti_4-x(Mn_1/3Ta_2/3)_xO₁₂，其中0x≤0.1。