[发明专利]一种铌酸铋钙基压电陶瓷及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种铌酸铋钙基压电陶瓷，所述压电陶瓷的A位掺杂有Na⁺、La³⁺和Bi³⁺；所述压电陶瓷的(Bi₂O₂)²⁺层掺杂有La³⁺。本发明提供的铌酸铋钙基压电陶瓷，通过对其(Bi₂O₂)²⁺层和A位进行共掺杂，调控了其晶格的畸变，使其产生局部的不均匀结构，如极化纳米畴，提高了该高温压电陶瓷的剩余极化强度、压电性能和温度稳定性。本发明还提供了所述铌酸铋钙基压电陶瓷的制备方法和应用。

技术领域

本发明涉及高温压电陶瓷领域，具体涉及一种铌酸铋钙基高温压电陶瓷的。

背景技术

压电陶瓷材料由于具有机电转换性能而被广泛应用于换能器、致动器、压电传感器、谐振器等领域。其中，压电材料作为压电振动传感器的核心敏感元件，利用正压电效应将输入的振动信号转换为电荷信号进行测量。在航空发动机、核电站涡轮机等的健康监测中，需要传感器耐高温(≥500℃)和长时间可靠地工作，特别是538、649和760℃系列的高温振动传感器。而目前商用的PZT（锆酸铅-钛酸铅固溶体）压电陶瓷由于居里温度较低(T_c~350℃)，难以满足上述需求。LiNbO₃、电气石、Sr₂Nb₂O₇、La₂Ti₂O₇等单晶材料虽然具有高的居里温度(T_c~1000-1400℃)，但是压电活性低、制备成本高。因而急需开发具有高的温度稳定性、高压电活性的压电陶瓷材料。

铋层状结构压电陶瓷材料具有较高的居里温度(T_c~500-940℃)，是649℃超高温压电振动传感器的候选材料。它由类萤石结构的(Bi₂O₂)²⁺层和类钙钛矿层(A_m-1B_mO_3m+1)^2-沿c-轴方向交替堆积而成，其中，m是类钙钛矿层中[BO₆]八面体的层数，A是一价、二价、三价具有十二面体配位的阳离子或者复合离子，如Li⁺、Na⁺、Ca²⁺、Bi³⁺和镧系阳离子等；B是三价、四价、五价、六价具有八面体配位的阳离子或者复合离子，如Cr³⁺、Ti⁴⁺、Nb⁵⁺和W⁶⁺等。铌酸铋钙[CaBi₂Nb₂O₉或(Bi₂O₂)²⁺ (CaNb₂O₇)^2-，简写为CBN]作为一种铋层状结构铁电体，具有高的居里温度(T_c~943℃)和高的耐老化性能，但是由于(Bi₂O₂)²⁺绝缘层的限制，CBN的自发极化沿a-b平面并且具有高的矫顽场，因而剩余极化强度(P_r~2.3-2.7μC/cm²)和压电系数低(d₃₃~5pC/N)，不利于振动信号的精确探测。此外，烧结过程中Bi₂O₃的挥发会产生可迁移的氧空位，降低CBN压电陶瓷的电阻率，产生较大的漏电流，不利于电荷信号的收集。