一种高温、高性能、高稳定性的铋层状结构压电陶瓷材料及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种高温、高性能、高稳定性的铋层状结构压电陶瓷材料及其应用。其特点是将W/Cr共掺杂的BIT压电陶瓷材料(以下简称BTWC系列压电陶瓷)由通式Bi

Bismuth layer structure piezoelectric ceramic material with high temperature, high performance and high stability and application thereof

The invention discloses a bismuth layered structure piezoelectric ceramic material with high temperature, high performance and high stability and application thereof. Its characteristic is that the W/Cr Co doped BIT piezoelectric ceramic material (hereinafter referred to as BTWC series piezoelectric ceramics) is made up of general formula Bi

【技术实现步骤摘要】
一种高温、高性能、高稳定性的铋层状结构压电陶瓷材料及其应用
本专利技术涉及一种高温、高性能、高稳定性的铋层状结构压电陶瓷材料及其应用，属于材料科学与工程领域。
技术介绍
随着科学技术的进步，大型工业装备往往都在往高温领域应用方向发展，因而迫切需要一些能在高温环境中实现传感、驱动、引爆等功能的电子器件。比如航空发动机、舰船燃气轮机等大型动力装置的高温部位(其环境温度可达300℃以上)的振动状态监测需要高温压电加速度传感器、穿透大气层的战略武器引爆需要高温压电引信传感器、大型高温疲劳寿命试验机作动需要高温压电换能器等等。这些压电器件都需要一种可以在高温下工作的压电陶瓷作为其敏感元件。但压电陶瓷的最高使用温度一般不超过其居里温度的3/5。由于这些有特殊应用的高温压电器件至少需要长期工作在300℃以上，甚至需要短时工作在500℃以上。此时，传统的PZT系列压电陶瓷由于其居里温度限制(Tc＝365℃)已不再适用，并且本身含有的铅元素对自然环境和人体均有害，因此必须开发一种新型的、无铅的、具有高居里温度的压电陶瓷用作敏感材料。在具有高居里温度(Tc≧500℃)的无铅压电陶瓷材料体系中，钛酸铋：Bi4Ti3O12(简称BIT)是被研究得较多的一类化合物，也是最具代表性的一类铋层状结构铁电体(英文简称为BLSF)。BIT是许多BLSF的原形，其结构也相对简单，可看作是由一层铋氧层(Bi2O2)2+和三层钛氧八面体[TiO6]在c轴上交叉间隔而成，如图1所示。在居里温度以下，BIT为单斜相，而其他绝大多数BLSF为正交相，且由于层数为基数(m＝3)只有1个相变点(Tc＝675℃)，其结构稳定性要强于其他BLSF。此外，它的自发极化非常大，沿a轴可达到50μC/cm2，高居里温度，稳定的结构再加上强铁电性使得这种材料在高温压电、铁电领域中有着巨大的应用优势。但BIT由于自身的晶体构造原因通常具有电导率高、压电性弱、稳定性差等性能缺陷，常常通过掺杂改性等手段来提升其电学性能。同时，压电陶瓷作为一类对力、电载荷都敏感的功能元件，在实际应用中，材料的力学性能不仅关系着材料的力电耦合，也影响着器件的总体性能。比如压电加速度传感器：压电陶瓷由于被质量块压制预紧，常常需要承受几百MPa的压缩应力，其抗压强度直接决定了传感器是否能装配成功；弹性模量直接关系着传感器的输出灵敏度，而刚度系数直接影响着传感器的频率响应。再如多层压电陶瓷驱动器：其性能失效被归结于压电陶瓷内电极中非均匀的应力分布导致的材料疲劳断裂，因此，压电陶瓷的断裂韧性直接关系着驱动器的可靠性。因此本专利技术将详细介绍具有高居里温度的BIT压电陶瓷在其力学、电学性能上的改进方法及其在压电加速度传感器中的实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对Bi4Ti3O12陶瓷在其力学、电学性能上的现有技术不足而提供一种高温、高性能、高稳定性的铋层状结构压电陶瓷材料及其应用，其特点是根据BIT的离子构造特征，首先对其B位进行离子施主掺杂，即先采用氧化物固相法制备W掺杂的BIT陶瓷粉体；再对其B位进行离子占位优化，即添加Cr2O3作为改性剂，经过造粒、成型、排胶、烧结和极化等工艺制成一种W/Cr共掺杂的BIT压电陶瓷。利用本专利技术得到的压电陶瓷元件制作而成的中心压缩式压电加速度传感器，能在-55～550℃的温度环境中长期使用，性能稳定。本专利技术的目的由以下技术措施实现，其中所述原料份数除特殊说明外，均为重量份数。W/Cr共掺杂的BIT压电陶瓷材料(以下简称BTWC系列压电陶瓷)的配方由通式Bi4Ti3-xWxO12+x+ywt.％Cr2O3表示，式中0≤x≤0.1；0≤y≤0.4，x，y不能同时为0，其中，x表示W的摩尔分数，y表示Cr2O3的质量分数。所述BTWC系列压电陶瓷的制备方法包括以下步骤：(1)粉体合成将分析纯级的主料：氧化铋(Bi2O3)和二氧化钛(TiO2)以及掺杂物：三氧化钨(WO3)按化学式：Bi4Ti3-xWxO12+x计算的用量配比进行精确称取，放于聚四氟乙烯球磨罐中，以无水乙醇为分散介质，用行星球磨机球磨12～24h，转速为100～600rpm。取出浆料后在烘灯下烘烤2～4h，然后置于氧化铝坩埚中放在程序控温的箱式炉中以5℃/min的升温速度升温至800～900℃，保温2～4h，得到W掺杂的BIT陶瓷粉体；(2)二次球磨将所得粉体精确称重，按其质量的y％加入添加物：三氧化二铬(Cr2O3)，放入聚四氟乙烯球磨罐中以无水乙醇为分散介质，用行星球磨机球磨12～24h，转速为100～600rpm，取出浆料后在烘灯下烘烤2～4h，得到加Cr的W掺杂BIT陶瓷粉体；(3)造粒成型在所得粉体中加入浓度为5～10wt.％的聚乙烯醇溶液(PVA)作为胶粘剂，充分混合后造粒，并过40目筛网，然后在粉末干压成型机上压强8～20MPa下压制成直径～10mm、厚度～1mm的圆片型坯体；(4)排胶烧结将所得坯体整齐排列放在箱式炉中，以1℃/min的升温速度先升温至80～120℃恒温1～4h排除水分，然后以2℃/min的升温速度升至500～700℃保温1～4h排出胶粘剂；随炉自然冷却后再将坯体10～20片为一组叠放在一起，盖上氧化铝坩埚置于箱式炉中先以5℃/min的升温速度升至1000℃，然后以2℃/min的升温速度升至1000～1200℃保温1～4h烧结成瓷；(5)被银极化将所得陶瓷双面碾磨抛光至0.4～0.6mm厚度，再刷上浓度为5～15wt.％的银浆，然后在箱式炉中500～600℃保温10～15min制成电极；将所得样品放入100～200℃的硅油浴中进行直流电场极化，电场强度5～15kV/mm，保压时间15～45min，最后带电降至室温取出得到BTWC系列压电陶瓷。W/Cr共掺杂的BIT压电陶瓷材料的应用在高温度为550℃以下功能器件的敏感元件，电加速度传感器、高温高压电换能器、驱动器、引爆器。结构表征与性能测试：选取以下组成配方的样品用作性能测试，包括材料的结构形貌、力学性能及电学性能三个方面。表1用于性能测试的BTWC系列压电陶瓷组成配方与样品编号(1)结构形貌结构形貌分析所用试样为烧结得到的陶瓷圆片。a)利用X射线衍射仪(DX-2700型)分析试样的物相结构；结果如图3所示：BTWC系列压电陶瓷结晶良好，主晶相为具有正交结构的钛酸铋－Bi4Ti3O12(JCPDS:72-1019)，空间群为B2cb，最强衍射出现在(117)峰，表明了其典型的3层式结构。随着W掺杂浓度(x)的增大，BTWC陶瓷的(00l)系列低角度衍射峰的强度先增大后减小，如图3(a)所示；而随着Cr2O3添加含量(y)的增大，则是先减小后增大，如图3(b)所示。一般而言，(00l)系列峰相对于(117)峰的强度比越高，变化表明以c轴定向的晶粒密度越大。b)利用扫描电子显微镜(JSM-5900型)观察试样的表面形貌。结果如图4(a～e)所示：BTWC系列压电陶瓷晶界清晰，结构致密，气孔很少(相对密度≧93％)，颗粒均匀，片式形貌，取向杂乱。少量的W掺杂引发BTWC-2和BTWC-3(x＝0.025和0.05，y＝0.2)两个样品中Bi4Ti3O12晶粒明显长大，而大量的Cr2O3添加则促使BTWC-8和BTWC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种W/Cr共掺杂的BIT压电陶瓷材料，其特征在于该压电陶瓷材料的配方由通式Bi

【技术特征摘要】
1.一种W/Cr共掺杂的BIT压电陶瓷材料，其特征在于该压电陶瓷材料的配方由通式Bi4Ti3-xWxO12+x+ywt.％Cr2O3表示，式中0≤x≤0.1；0≤y≤0.4，x，y不能同时为0，其中，x表示W的摩尔分数，y表示Cr2O3的质量分数。2.如权利要求1所述W/Cr共掺杂的BIT压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)粉体合成将分析纯级的主料：氧化铋和二氧化钛以及掺杂物：三氧化钨按化学式：Bi4Ti3-xWxO12+x计算的用量配比进行精确称取，放于聚四氟乙烯球磨罐中，以无水乙醇为分散介质，用行星球磨机球磨12～24h，转速为100～600rpm。取出浆料后在烘灯下烘烤2～4h，然后置于氧化铝坩埚中放在程序控温的箱式炉中以5℃/min的升温速度升温至800～900℃，保温2～4h，得到W掺杂的BIT陶瓷粉体；(2)二次球磨将所得粉体精确称重，按其质量的y％加入添加物：三氧化二铬，放入聚四氟乙烯球磨罐中以无水乙醇为分散介质，用行星球磨机球磨12～24h，转速为100～600rpm，取出浆料后在烘灯下烘烤2～4h，得到加Cr的W掺杂BIT陶瓷粉体；(3)造粒成型在所得粉体中加入浓度为5～10w...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈渝，王清远，
申请(专利权)人：成都大学，
类型：发明
国别省市：四川,51