[发明专利]一种Sm离子掺杂PZT基压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种Sm离子掺杂PZT基压电陶瓷材料，以下列化学通式表示：Pb_1‑yGa_y(Zr_1‑zTi_z)_mTa_1‑mO₃+xwt％Sm，其中x＝0.05～1.05，xwt％表示Sm占压电陶瓷材料总质量的百分比含量；y＝0.015～0.025，z＝0.45～0.50，m＝0.95～0.98。采用固相反应法制备Sm离子掺杂的PZT基压电陶瓷粉体，再结合压片、脱脂排胶、烧结、被银、极化等工艺制备具有高居里温度、高压电常数、高介电常数的压电陶瓷材料。结果表明，本发明压电陶瓷材料的居里温度Tc大于380℃，同时介电常数大于900，压电常数d₃₃大于300pC/N。

技术领域

本发明属于压电陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种Sm离子掺杂PZT基压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

电力设备正常运行对于保证电力系统运行安全至关重要。电力设备在运行过程中若出现大电流冲击、受潮、紧固件松动等常会引发局部放电，造成潜在隐患，超声监测是目前局部放电监测常用方法。压电陶瓷具有控制精度高，响应速度快，线性好，功耗低等优点，已被广泛应用于电子、通信、医学等诸多领域。

专利申请CN115466117A公开了一种低温制备的具有超高压电常数的PZT基压电陶瓷，该压电陶瓷的通式为

Pb_1-x-y-vLi_xCa_y[Ni_1/3Nb_2/3]_u(Sm,Eu,Gd)_v(Ti,Zr)_1-uO表示，0≤x≤0.025，0≤y≤0.001,0.1≤u≤0.6,0.01≤v≤0.025。采用固相反应法制备750～850℃低温煅烧的PZT基压电陶瓷粉体，再经过造粒、压片、排胶、烧结、烧银、极化等工艺制备陶瓷材料。结果表明，在900～960℃的烧结温度下制备得到了PZT基压电陶瓷材料，具有超高压电常数d33＝936pC/N，但其居里温度均在130℃以下。专利申请CN113683414A提供了一种钐掺杂PZT压电纳米粉体及其制备方法和应用，通过水热掺杂工艺并添加烷基聚氧乙烯醚的方式制备得到钐掺杂PZT压电纳米粉体，可有效减小所制备粉体材料的粒径，并对应提高其压电性能；且制备方法简单，成本低。该钐掺杂PZT压电粉体的粒径为300～400nm；压电常数d33达到510pC/N，将其制备成压电陶瓷可有效用于压电器件，但该专利并未关注材料的高温稳定性，存在应用风险。文献“Sm掺杂增强PZT基弛豫型铁电陶瓷压电性能研究”(董昌等，《无机材料学报》，第36卷第12期，2021年12月)公开其制备的压电陶瓷，具有如下性能：高压电系数d₃₃～824pC/N,高压电电压常数g₃₃～27.1×10^–3m²/C和相对较高居里温度T_C～178℃,电致应变在室温至150℃范围内低于5％。该压电陶瓷虽具有一定温度稳定性，但其居里温度仍显不足。

随着现代科技的不断进步与发展，一些重要领域都迫切需要能够在高温下稳定工作的电子设备，如石油化工、电力能源、冶金矿产、航空航天等，而用于这些电子设备的压电材料在高温环境下使用时必须具备以下两个条件，一是该材料应具有较高的居里温度，使其压电性等综合性能不会受高温影响；二是在较宽的温度范围内，材料的压电参数能够保持稳定，从而保证电子设备在运行过程中能够正常工作，以便适用于更加复杂的使用环境。