一种铋层状结构高温压电陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种铋层状结构高温压电陶瓷材料及其制备方法，所述铋层状结构高温压电陶瓷材料的化学组成为Bi4Ti3‑x(Mn1/3Nb2/3)xO12，其中，0.01≤x≤0.10；优选，0.01≤x≤0.07，更优选0.03≤x≤0.06。

A Bismuth Layered High Temperature Piezoelectric Ceramic Material and Its Preparation Method

The present invention relates to a bismuth layered high temperature piezoelectric ceramic material and its preparation method. The chemical composition of the bismuth layered high temperature piezoelectric ceramic material is Bi4Ti3 x (Mn1/3Nb2/3) xO12, in which 0.01 < x < 0.10; 0.01 < x < 0.07, and 0.03 < x < 0.06.

【技术实现步骤摘要】
一种铋层状结构高温压电陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及一种铋层状结构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。
技术介绍
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，在电子信息、能源探测、先进制造、医疗系统和武器装备等领域有广泛的应用。在这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是整个系统的关键功能部件，因此对其提出了越来越苛刻的要求，其最重要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。铋层状结构高温压电陶瓷材料由于居里温度较高(500～970℃)、介电损耗较低以及电阻率较高，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，严重制约了铋层状结构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高铋层状结构高温压电陶瓷材料的压电性能。如通过W6+和Ni2+掺杂取代可将铋层状结构Bi4Ti3O12高温压电陶瓷的压电系数d33提高到18.5pC/N(J.AlloysCompd.,590,2014:210-214)；通过Ta5+掺杂取代可将铋层状结构Bi3.25La0.75TiO12高温压电陶瓷的压电系数d33提高到13pC/N(Ceram.Int.,43,2017:13193-13198)。通过织构化热锻烧结工艺调控微结构后，可使铋层状结构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。
技术实现思路
为了在保持铋层状结构高温压电陶瓷材料高居里温度的同时，协同提高其压电性能，本专利技术提供了一种铋层状结构高温压电陶瓷材料及其制备方法。一方面，本专利技术提供了一种铋层状结构高温压电陶瓷材料，所述铋层状结构高温压电陶瓷材料的化学组成为Bi4Ti3-x(Mn1/3Nb2/3)xO12，其中，0.01≤x≤0.10；优选，0.01≤x≤0.07，更优选0.03≤x≤0.06。在本专利技术中，采用锰、铌复合金属离子组合取代铋层状结构高温压电陶瓷的氧八面体B位钛离子的方法，利用复合添加的方式优化“硬性”添加物二价Mn离子和“软性”添加物五价Nb离子的改性作用，使材料兼具“硬性”和“软性”的优点，通过调整氧八面体的结构畸变和减少氧空位缺陷，提高材料压电性能。在Bi4Ti3-x(Mn1/3Nb2/3)xO12陶瓷中，锰、铌复合金属离子组合(Mn1/3Nb2/3)中的锰离子以Mn2+/Mn3+共存的形式存在、铌离子为Nb5+。铋层状结构高温压电陶瓷中氧八面体的结构畸变程度可以用容忍因子t表示，容忍因子t定义为：其中，RA、RB和RO分别为A位阳离子、B位阳离子和氧离子的半径大小。t值越小，晶格畸变程度越大。因为离子半径所以采用锰、铌复合金属离子组合(Mn1/3Nb2/3)取代B位Ti4+使容忍因子t减小，从而提高晶格畸变程度。另外，引入锰、铌复合金属离子组合(Mn1/3Nb2/3)起始原材料为二价Mn源、五价Nb源，(Mn1/3Nb2/3)离子作为一个整体为[(Mn1/3Nb2/3)]4+，取代钛离子(Ti4+)是等价取代，因此不会人为的引入氧空位。同时，Mn是一种变价元素，其价态随温度不同而呈现不同的价态，在1100～1200℃范围内，锰离子以Mn2+/Mn3+共存的形式稳定存在，因此Mn2+变成Mn3+的过程中可以吸收一个氧空位，减少氧空位缺陷。其过程可以表示为：五价铌离子(Nb5+)取代四价钛离子(Ti4+)也可以减少氧空位的浓度，其过程为：因此，通过在Bi4Ti3O12陶瓷中引入锰、铌复合金属离子组合(Mn1/3Nb2/3)可以提高其结构畸变程度，使畴壁运动较容易进行；同时，减少氧空位缺陷，提高材料的电阻率，使陶瓷得到充分极化，从而提高铋层状结构高温压电陶瓷材料的压电性能。本专利技术获得了一种具有大压电系数(d33＞30pC/N)的无铅高温压电陶瓷，满足了高温压电振动传感器用高温压电陶瓷材料的要求，为铋层状结构高温压电陶瓷材料在高温领域的应用起到了推进作用。较佳地，所述铋层状结构高温压电陶瓷材料在25℃下的压电系数d33为(20～35)pC/N，居里温度Tc为(640～680)℃，介电损耗tanδ为0.001～0.020。较佳地，所述铋层状结构高温压电陶瓷材料在500℃时的电阻率ρ为4.0×104～2.0×107Ω·cm，压电系数d33为(15.0～32.0)pC/N。另一方面，本专利技术还提供了一种如上述的铋层状结构高温压电陶瓷材料的制备方法，包括：按照铋层状结构高温压电陶瓷材料的化学组成Bi4Ti3-x(Mn1/3Nb2/3)xO12称量Bi源、Ti源、Mn源、Nb源并混合，得到混合粉体；将所得混合粉体在700～900℃下预烧2～10小时，得到预烧粉体；将所得预烧粉体和粘结剂混合并压制成型，再经排塑后得到陶瓷素坯；将所得陶瓷素坯在1000～1200℃下烧结2～10小时，得到所述铋层状结构高温压电陶瓷材料。较佳地，所述Bi源为Bi2O3；所述Ti源为TiO2；所述Mn源为MnO或MnCO3；所述Nb源为Nb2O5。较佳地，所述预烧的温度为800～900℃，时间为2～5小时；优选地，所述预烧的升温速率不高于2℃/分钟。较佳地，所述烧结的温度为1100～1200℃，时间为2～5小时；优选地，所述烧结的升温速率不高于2℃/分钟。较佳地，所述粘结剂为聚乙烯醇(PVA，polyvinylalcohol)，加入量为预烧粉体质量的5～7wt.％；所述的排塑温度为650～750℃，保温时间为1～5小时；优选地，在烧结之前，采用预烧粉体覆盖陶瓷素坯。较佳地，在所得铋层状结构高温压电陶瓷材料表面丝网印银后，进行烧银处理；所述烧银处理的条件为700～800℃，保温时间10～60分钟。较佳地，所述压制成型的方式为干压成型，所述干压成型的压力为1.0～2.5MPa。有益效果：在本专利技术中，采用锰、铌复合金属离子组合(Mn1/3Nb2/3)取代铋层状结构高温压电陶瓷的氧八面体B位的钛离子，调整氧八面体的结构畸变和减少氧空位缺陷，可在保持铋层状结构高温压电陶瓷材料高居里温度(评价压电陶瓷材料性能的重要参数)的同时，提高铋层状结构高温压电陶瓷材料的压电性能和温度稳定性，可望应用于温度高于500℃的高温领域。其中，锰、铌复合金属离子组合取代铋层状结构高温压电陶瓷的居里温度为高达600℃以上，其中x＝0.05组分具有最大的压电系数，并且具有良好的温度稳定性，压电系数d33在25～600℃范围内保持较高的值，在500℃时的d33仍在30pC/N以上。附图说明图1为不同Mn1/3Nb2/3改性的Bi4Ti3-x(Mn1/3Nb2/3)xO12陶瓷材料的d33温度稳定性。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术通过锰、铌复合金属离子组合(Mn1/3Nb2/3)掺杂调控微结构，可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铋层状结构高温压电陶瓷材料，其特征在于，所述铋层状结构高温压电陶瓷材料的化学组成为Bi4Ti3‑x(Mn1/3Nb2/3)xO12，其中，0.01≤x≤0.10；优选，0.01≤x≤0.07，更优选0.03≤x≤0.06。

【技术特征摘要】
1.一种铋层状结构高温压电陶瓷材料，其特征在于，所述铋层状结构高温压电陶瓷材料的化学组成为Bi4Ti3-x(Mn1/3Nb2/3)xO12，其中，0.01≤x≤0.10；优选，0.01≤x≤0.07，更优选0.03≤x≤0.06。2.根据权利要求1所述的铋层状结构高温压电陶瓷材料，其特征在于，所述铋层状结构高温压电陶瓷材料在25℃下的压电系数d33为（20～35）pC/N，居里温度Tc为640～680℃，介电损耗tanδ为0.001～0.020。3.根据权利要求1或2所述的铋层状结构高温压电陶瓷材料，其特征在于，所述铋层状结构高温压电陶瓷材料在500℃时的电阻率ρ为4.0×104～2.0×107Ω·cm，压电系数d33为（15.0～32.0）pC/N。4.一种如权利要求1-3中任一项所述的铋层状结构高温压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括：按照铋层状结构高温压电陶瓷材料的化学组成Bi4Ti3-x(Mn1/3Nb2/3)xO12称量Bi源、Ti源、Mn源、Nb源并混合，得到混合粉体；将所得混合粉体在700～900℃下预烧2～10小时，得到预烧粉体；将所得预烧粉体和粘结剂混...

【专利技术属性】
技术研发人员：董显林，谢新春，周志勇，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31