[发明专利]一种钛酸铋高温压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种钛酸铋高温压电陶瓷材料及其制备方法。所述钛酸铋高温压电陶瓷材料Bi_4‑xTi₃O_12‑1.5x，其中，0＜x≤0.80，优选为0.05≤x≤0.50。

技术领域

本发明涉及一种钛酸铋高温压电陶瓷材料及其制备方法，属于压电陶瓷材料的制备领域。

背景技术

压电陶瓷材料是实现机-电能量转换和耦合的一类极其重要的功能材料，在航空航天、电子信息、能源、先进制造、医疗系统和武器装备等领域有广泛的应用。近年来，我国在航空航天、能源、医疗和空间技术等领域发展十分迅速，对其中关键功能部件提出了越来越苛刻的要求。在一些重要领域应用的压电器件如声波测井仪、超声电机、高温压电振动传感器等的一个共同特点就是工作环境温度高，这就要求压电陶瓷材料在高温下能稳定、可靠的工作。

压电陶瓷材料是高温振动传感器的核心元件。钛酸铋高温压电陶瓷材料由于居里温度T_c较高(＞600℃)、介电损耗较低，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。但由于其压电系数小，漏电流大，直接导致相关压电器件失效，严重制约了钛酸铋高温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，本领域通常采用离子掺杂优化组成设计以及织构化工艺调控微结构等手段来提钛酸铋(Bi₄Ti₃O₁₂)高温压电陶瓷材料的压电性能。例如，利用La³⁺、Nd³⁺和Sm³⁺离子取代A位Bi³⁺离子来优化Bi₄Ti₃O₁₂的电学性能，采用A位离子取代的方式可以提高Bi₄Ti₃O₁₂的压电系数，但是往往伴随居里温度的明显降低，居里温度甚至降低到400℃以下，无法满足高温应用的需求。采用高价离子V⁵⁺，Nb⁵⁺，Ta⁵⁺和W⁶⁺以及他们的组合取代B位Ti⁴⁺离子可以提高Bi₄Ti₃O₁₂的电学性能，但是过多种类的离子引入，增加了实验混料的复杂性，会对材料批量化生产来带困难。通过织构化热锻烧结工艺调控微结构后，可使钛酸铋高温压电陶瓷的压电系数d₃₃提高到20pC/N以上。但是，织构化工艺如热压、热锻、快速等离子体烧结等手段，工艺较为复杂、重复性较差。因此，如何在保持钛酸铋高温压电陶瓷材料高居里温度T_c(评价压电陶瓷材料性能的重要参数)的同时，提高钛酸铋高温压电陶瓷材料的压电系数d₃₃，是高温压电陶瓷应用领域的研究重点和关键难题。

发明内容

为了保持钛酸铋高温压电陶瓷材料高居里温度的同时，协同提高其压电性，本发明提供了一种采用使Bi³⁺离子缺量形成A位空位的方法，在类钙钛矿层出现A位空位后，晶格产生畸变，使得电畴壁运动较容易进行，同时可以调整氧八面体的结构畸变，进而提高钛酸铋高温压电陶瓷材料的压电性能，获得了一种具有大压电系数(d₃₃最高可达20pC/N以上)的无铅高温压电陶瓷，以满足高温压电振动传感器用高温压电陶瓷材料的要求，为钛酸铋高温压电陶瓷材料在高温领域的应用起到了推进作用。

一方面，本发明提供了一种钛酸铋高温压电陶瓷材料，所述钛酸铋高温压电陶瓷材料Bi_4-xTi₃O_12-1.5x，其中，0＜x≤0.80，优选为0.05≤x≤0.50。

较佳的，采用Bi³⁺离子缺量形成A位空位，从而实现钛酸铋高温压电陶瓷材料性能的提升。