一种Ti位Cu/Ta共掺杂钛酸铋高温压电陶瓷材料及其压电传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种Ti位Cu/Ta共掺杂钛酸铋高温压电陶瓷材料及其压电传感器，该压电陶瓷材料的通式为Bi4Ti3‑x(Cu1/3Ta2/3)xO12，其中0

【技术实现步骤摘要】
一种Ti位Cu/Ta共掺杂钛酸铋高温压电陶瓷材料及其压电传感器
本专利技术涉及一种铋层状结构钛酸铋高温压电陶瓷材料及其压电传感器，具体涉及一种Cu/Ta共掺杂的铋层状结构钛酸铋(Bi4Ti3O12)压电陶瓷材料及其采用该压电陶瓷材料设计的压电传感器，属于压电陶瓷材料领域。
技术介绍
目前，应用最广的压电材料主要是钙钛矿结构的PZT基压电陶瓷，但是这类压电陶瓷的居里温度一般在390℃以下，由于压电材料退极化现象的存在，压电材料在居里温度以下无法正常工作。随着航空航天、地质勘探等工业的飞速发展和人类社会可持续发展的需求，因此有必要寻求一种居里温度高，压点性能优异的环境友好型压电材料。由于居里温度高、耐疲劳性能好，铋层状结构的陶瓷被认为是高温压电材料的理想选择。铋层状结构的陶瓷材料是由(Bi2O2)2+层和钙钛矿结构的晶格层相互交替叠加而成的，其化学通式为(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-，上式中A为适合十二面体配位的离子，如Na+，Ca2+，La3+等，B为适合八面体配位的离子，如Ti4+，Nb5+，Ta5+等，m为整数，取值为1到6。钛酸铋(Bi4Ti3O12)是m＝3的铋层状结构材料，其居里温度高达675℃，压电常数d33约为8pC/N，与实际应用相比，虽然居里温度满足高温下的使用要求，但是其压电性能达不到应用要求(d33>30pC/N)。因此，如何在不降低居里温度的同时提高压电性能以获得高温范围内稳定使用的铋层状压电陶瓷材料成为压电陶瓷材料领域研究的一个重要课题。目前，尚未见以Cu/Ta共掺杂来提高铋层状结构钛酸铋(Bi4Ti3O12)压电陶瓷材料性能的相关报道。
技术实现思路
针对上述现有技术不足，本专利技术的目的是提供一种铋层状结构钛酸铋高温压电陶瓷材料及其压电传感器，利用Cu、Ta元素对铋层状结构钛酸铋(Bi4Ti3O12)压电陶瓷材料进行共掺杂改性，在不降低居里温度温度的同时，提高其压电性能，制备出一种新型的、环境友好型的压电陶瓷材料。为了克服现有技术存在的缺陷，本专利技术提供以下技术方案：一种Ti位Cu/Ta共掺杂钛酸铋高温压电陶瓷材料，该压电陶瓷材料的通式为Bi4Ti3-x(Cu1/3Ta2/3)xO12，其中0<x≤0.03；通式中，下标数字代表元素的摩尔比；优选的，x＝0.01、0.015、0.02、0.025或0.03。进一步优选的，x＝0.015；该铋层状结构钛酸铋高温压电陶瓷材料的制备方法，步骤如下：配料：以Bi2O3粉体、TiO2粉体、CuO粉体和Ta2O5粉体为原料，按通式中Bi、Ti、Cu和Ta的化学计量进行配料；一次球磨：向上述混合物中加入与混合物等量的无水乙醇，持续球磨12～24小时，使粉体混合均匀形成浆料，由此可以进一步的提高钛酸铋高温压电陶瓷材料的综合性能；烘干：将上述浆料置于恒温烘箱中烘烤，去除无水乙醇，并在研钵中研磨，得到粉料；压片预烧：将粉料置于磨具中预压成料块，将料块预烧，预烧温度为675～750℃，保温时间2～4小时；二次球磨：将预烧后的料块在研钵中，经碾碎研磨后得到初级粉料，向得到的初级粉料中加入与初级粉料等量的无水乙醇，持续球磨12～24小时，使粉体混合均匀形成浆料；烘干：将上述浆料置于恒温烘箱中烘烤，去除无水乙醇，并在研钵中研磨成粉料；造粒成型：将蒸馏水以及浓度为8％的聚乙烯醇溶液(PVA)作为粘合剂掺入粉料中，掺入的蒸馏水的质量是粉料质量的2.5％，掺入的粘合剂的质量是粉料质量的5％，在研钵中混合均匀；将混合后的粉料置于磨具中，压制成生坯；将生坯在研钵中磨碎成粉料，通过60目和120目的筛子过筛，取60目和120目筛子中间层的粉料，得到了颗粒大小合适的粉料；将粉料置于磨具中，在200MPa的压强下压制成生坯；排胶：将生坯排胶，在650℃的温度下煅烧3小时，排除生坯中的PVA，得到瓷坯；烧结：将瓷坯进行烧结，烧结温度为1000～1100℃，保温时间2～4小时，得到陶瓷片；涂电极：将陶瓷片清洗、烘干、丝网印刷涂银电极、烧银，烧银温度500～600℃，保温时间1～2小时；极化：将镀好银电极的陶瓷片置于120～160℃的硅油中，极化电压为12kV/mm～15kV/mm，极化时间为20min～40min。优选地，在所述一次球磨和二次球磨过程中，所述球磨时间为12小时。优选地，在所述预烧过程中，所述预烧温度为725℃，所述保温时间为4小时。优选地，在所述烧结过程中，所述烧结温度为1050℃，所述保温时间为4小时。为了克服现有技术存在的缺陷，本专利技术还公开了一种压电传感器，采用权利要求1-6所述的铋层状结构钛酸铋高温压电陶瓷材料。与现有技术相比较，本专利技术的技术方案，通过Cu和Ta取代B位的Ti，并控制掺杂元素的加入量，有效提高了钛酸铋高温压电陶瓷材料的压电性能。需要说明的是，现有技术中虽然有许多关于对压电陶瓷材料进行元素掺杂的报道，但是不同的掺杂元素，掺杂元素不同的加入量，都会对压电陶瓷材料的整体性能产生较大影响，则需要在试验过程中不断摸索，反复试验才能得到，专利技术人在前期研究中也尝试了多种不同元素对钛酸铋高温压电陶瓷材料的掺杂，但对于其他元素的掺杂，采用本专利技术的Cu和Ta元素共掺杂，制备得到的铋层状结构钛酸铋高温压电材料表现出更为优异的压电性能。实验数据表明，本专利技术具有优异的性能：本专利技术Cu、Ta元素共掺杂改性的铋层状钛酸铋(Bi4Ti3O12)压电陶瓷材料，居里温度为677℃，压电常数d33高达34pC/N，并具有良好的高温稳定性，在500℃时，电阻率ρ＝9.02×106Ω·cm，在高温领域具有良好的应用前景。另外，该专利技术通过传统压电陶瓷工业制得，制备成本低，工业简单且适合于大批量工业化生产，掺杂改性后的陶瓷材料的压电性能较之前提高了四倍以上，推进了高温压电材料的进展。附图说明图1是实施例1中制备的Bi4Ti3-x(Cu1/3Ta2/3)xO12，x＝0.01陶瓷的XRD衍射图，以及介电常数随温度变化的曲线；图2是实施例2中制备的Bi4Ti3-x(Cu1/3Ta2/3)xO12，x＝0.015陶瓷的XRD衍射图，以及介电常数随温度变化的曲线；图3是实施例3中制备的Bi4Ti3-x(Cu1/3Ta2/3)xO12，x＝0.02陶瓷的XRD衍射图，以及介电常数随温度变化的曲线；图4是实施例4中制备的Bi4Ti3-x(Cu1/3Ta2/3)xO12，x＝0.025陶瓷的XRD衍射图，以及介电常数随温度变化的曲线；图5是实施例5中制备的Bi4Ti3-x(Cu1/3Ta2/3)xO12，x＝0.03陶瓷的XRD衍射图，以及介电常数随温度变化的曲线；图6是不同量的Cu/Ta掺杂Bi4Ti3-x(Cu1/3Ta2/3)xO12陶瓷的居里温度变化图；图7是不同量的Cu/Ta掺杂Bi4Ti3-x(Cu1/3Ta2/3)xO12陶瓷的室温压电系数变化图；图8是不同量的Cu/Ta掺杂Bi4Ti3-x(Cu1/3Ta2/3)xO12陶瓷的500℃时电阻率变化图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步的说明。实施例1制备符合化学组成Bi4Ti3-x(Cu1/3Ta2/3)xO12，x＝0.01的Cu/Ta共掺杂改性的钛酸铋(Bi4Ti3O12)无铅压电陶瓷，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Ti位Cu/Ta共掺杂钛酸铋高温压电陶瓷材料，其特征在于，该压电陶瓷材料的通式为Bi4Ti3‑x(Cu1/3Ta2/3)xO12，其中0<x≤0.03。

【技术特征摘要】
1.一种Ti位Cu/Ta共掺杂钛酸铋高温压电陶瓷材料，其特征在于，该压电陶瓷材料的通式为Bi4Ti3-x(Cu1/3Ta2/3)xO12，其中0<x≤0.03。2.根据权利要求1所述的Ti位Cu/Ta共掺杂钛酸铋高温压电陶瓷材料，其特征在于，x＝0.01。3.根据权利要求1所述的Ti位Cu/Ta共掺杂钛酸铋高温压电陶瓷材料，其特征在于，x＝0.015。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑鹏，李旭东，陈振宁，盛林生，白王峰，郑梁，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33