[发明专利]一种铋层状结构复合高温压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种铋层状结构复合高温压电陶瓷材料及其制备方法，该铋层状结构复合高温压电陶瓷材料由Na_0.5Bi_2.5Nb₂O₉基两层铋层状结构压电陶瓷材料与Bi₄Ti₃O₁₂基三层铋层状结构压电陶瓷材料复合组成，其制备方法包括：分别预合成Na_0.5Bi_2.5Nb₂O₉基和Bi₄Ti₃O₁₂基压电陶瓷材料；按比例混合所述预合成的Na_0.5Bi_2.5Nb₂O₉基和Bi₄Ti₃O₁₂基压电陶瓷材料，然后依次经过成型、烧结、氧化、极化及老化处理。本发明提供的复合材料具有高居里温度、高压电性能，且能高温下稳定工作；本发明提供的制备方法工艺简单，操作方便，适于推广。

技术领域

本发明属于压电陶瓷生产技术领域，具体涉及一种铋层状结构复合高温压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

高温压电器件在核能、油井钻探、航空航天以及国防等领域具有十分迫切的应用需求。在一些重要领域应用的压电器件比如核电站需要实时对高温下运行的核心部件进行早期健康预警；在航空航天领域,需要采用高温压电传感器对飞行发动机、机翼等部件进行温度、振动加速度以及叶片疲劳等进行实时监测；在石油钻探、地质勘探等领域，也需要压电传感器对周围环境的温度、压力、密度、化学组成等数据进行采集及分析；而在国防领域，超高速飞行器也迫切需要具有耐高温、高压的压电驱动器与传感器，这就要求压电材料能在高温下稳定、可靠的工作。压电材料的高温特性直接决定了压电器件在高温环境下的使用效果和寿命。目前，由于高温压电材料发展缓慢，已经严重制约了压电器件在极端环境中的服役。

铋层状结构压电陶瓷是Bengt Aurivillius于1949年在Bi₂O₃-TiO₂体系中首次发现，其分子式为(Bi₂O₂)²⁺(A_m-1B_mO_3m+1)^2-，它是由铋氧层(Bi₂O₂)²⁺和类钙钛矿层(A_m-1B_mO_3m+1)^2-沿着c轴相互交错而成，其中：A代表具有12配位的一价、二价、三价离子或者它们的复合离子，如：La³⁺、Ba²⁺、Pb²⁺、K⁺、Ca²⁺和Sr²⁺等，B代表具有氧八面体配位的四价、五价、六价离子或者它们的复合离子，如：Ti⁴⁺、Nb⁵⁺、Fe³⁺和W⁶⁺等，m和m-1分别为铋氧层之间夹杂的氧八面体及类钙钛矿层的数目。由于居里温度高、耐疲劳性能好，铋层状结构的压电陶瓷被认为是高温压电材料的理想选择。但是铋层状结构的压电陶瓷材料普遍存在矫顽电场高、剩余极化强度低、压电活性低、需高温极化等缺点，难以同时满足适宜在高温条件下工作且具有稳定的综合电学性能的双重要求。

近年来，将多种不同的铋层状陶瓷材料组合形成共生结构或多元混合体系成为改善上述铋层状结构的压电陶瓷材料缺陷的一个研究方向，但是掺杂/引入的位置和在每个位置掺杂/引入的元素不同带来的效果也差异显著，且由于掺杂/引入的位置和/或掺杂/引入的元素不止一种，作用机理较为复杂，很多机理目前尚无法分析解释。因此，如何得到一种具有高居里温度、高压电性能和高温下稳定工作的铋层状结构复合高温压电陶瓷材料成为本领域研究的一个重要课题。

发明内容