一种压电陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种压电陶瓷材料，其具有以下化学通式：(1‑x‑y)[BiSc1‑zMz]O3‑yPb(Mg1/3Nb2/3)O3‑xPbTiO3；其中0.55≤x≤0.70，0≤y≤0.04，0

A Piezoelectric Ceramic Material and Its Preparation Method

The invention provides a piezoelectric ceramic material, which has the following chemical general formula: (1 x_y) [BiSc1 zMz] O 3 yPb (Mg1/3Nb2/3) O 3 xPb TiO3; where 0.55 < x < 0.70, 0 < y < 0.04, 0.

【技术实现步骤摘要】
一种压电陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及压电材料制备领域，具体而言，涉及一种压电陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
压电陶瓷材料广泛用在机械制造、电子通讯、军事等领域，在力、热、光、电、磁等功能转换器件中具有无法替代的作用，具有非常广泛的应用前景。随着人们对压电器件工作温度的要求越来越高，例如在石油勘探、深井探测等领域使用的传感器需要工作在200-300℃中高温环境里，传统的商业化PZT压电器件无法在200℃以上的温度环境下稳定工作。铋层状压电陶瓷具有较高的居里温度(Tc≈700℃)，能够应用于高温领域，且温度稳定性可满足高温使用要求。在公开号为CN105924155A的专利技术专利中，公开了一种铋层状压电陶瓷的制备方法，居里温度达700℃，但材料的压电系数(d33≈20pC/N)较弱。在实际应用中通常采用多层叠片的方式以增强压电器件对振动信号的响应，但多层叠片会带来多界面寄生阻抗和容抗对电信号的干扰，误差较大，而且多层叠片也会增大压电器件的体积。解决这些问题迫切需要既具有高居里温度(Tc>400℃)、又具有高压电性能(d33>300pC/N)的压电陶瓷。其中BiScO3-PbTiO3(BSPT)陶瓷体系，发现其兼具优良的压电性能和较高的居里温度(d33～460pC/N，Tc～450℃)，可以满足200-300℃中高温区域的应用。然而，钪(Sc)的原材料成本高、BSPT陶瓷高温介电损耗大，成为制约该材料体系推广应用的主要瓶颈。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种压电陶瓷材料，在基本不降低居里温度和压电性能的前提下，通过采用其他离子或离子团来部分取代钪(Sc)，从而对压电材料进行改性，重新设计形成的具有特定化学结构的压电材料具有较高的居里温度、较高的压电系数、较低的高温介电损耗，成本低，实现大幅度降低材料成本的目的，并提高了其相关电性能，扩大了压电材料的应用范围。本专利技术的第二目的在于提供上述压电陶瓷材料的制备方法，该制备方法通过采用固相反应法，不仅操作步骤简单、操作方便，而且前后步骤衔接比较紧密，绿色环保，成本低。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：本专利技术提供了一种压电陶瓷材料，其具有以下化学通式：(1-x-y)[BiSc1-zMz]O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3；其中0.55≤x≤0.70，0≤y≤0.04，0<z≤0.5，M为正三价的离子或离子团。优选地，作为进一步可实施的方式，M为Co3+、In3+、Fe3+、Ga3+、Yb3+、Cr3+、(Zn0.5Mn0.5)3+、(Zn0.5Ti0.5)3+、(Mg0.5Mn0.5)3+、(Mg0.5Ti0.5)3+、(Ni0.5Mn0.5)3+、(Ni0.5Ti0.5)3+中的其中一种。在上述重新设计形成的具有特定化学结构的压电陶瓷材料之中，充分降低了钪(Sc)的含量，采用其他离子或离子团代替，通过改性后大大降低了压电陶瓷材料本身的成本，而且压电材料本身具有较高的居里温度、较高的压电系数、较低的高温介电损耗，可见对其相关性能参数没有任何影响，还有一定程度的提高。优选地，作为进一步可实施的方式，其中0.6≤x≤0.65，0≤y≤0.02，0<z≤0.2。优选地，作为进一步可实施的方式，M为In3+、Fe3+、Yb3+、(Zn0.5Mn0.5)3+、(Mg0.5Ti0.5)3+、(Ni0.5Mn0.5)3+中的其中一种。优选地，作为进一步可实施的方式，其化学结构式为：0.35[BiSc0.9(Ni0.5Mn0.5)0.1]O3-0.01Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.64PbTiO3。具有上述化学结构式的陶瓷材料各个方面的性能均比较优异，通过实践发现具有上述化学结构的材料属于众多化学结构中性能最为优异的配合方式。当然，通过实践发现，所选择的正三价离子团要比正三价离子性能上更为优异，正三价离子团通过不同离子之间的互相配合，可以更好地提升压电材料本身的电性能。另外，通过对性能进行检测后，发现本专利技术的压电陶瓷材料兼具较高的居里温度(Tc在400-470℃范围内)、较高的压电系数(d33在300-460pC/N范围内)和较低的高温介电损耗(300℃下tgδ<0.1)；且该压电陶瓷采用传统的固相烧结方法即可制备得到，工艺稳定可靠，成本低，适合工业化生产。本专利技术除了提供了一种压电陶瓷材料，还提供了上述压电陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：按照化学通式设计的组分称取各个离子的氧化物，研磨，造粒压片得到陶瓷生坯、烧结即可。本专利技术的压电陶瓷材料的制备方法通过采用固相反应法，不仅操作步骤简单、操作方便，而且前后步骤衔接比较紧密，绿色环保，成本低。优选地，作为进一步可实施的方式，研磨采用湿磨的方式，研磨的时间为36-72h。优选地，作为进一步可实施的方式，烧结的温度为1050-1150℃之间，烧结的时间为2-4h。优选地，作为进一步可实施的方式，烧结后经过抛光清洗、镀电极以及极化的步骤。优选地，作为进一步可实施的方式，放置于100-150℃硅油中进行极化；优选地，极化电压为3-5KV/mm，极化时间为10-20min。实际操作时，具体的制备工艺过程为：1)将原料按设计组分烘干称量，以酒精为介质，用玛瑙球进行湿磨，滚筒球磨36-72h。2)湿磨后的原料经干燥，压大块预烧，在700-800℃保温2-4小时预合成。3)把预合成的熟料再次球磨36-72小时磨细，按质量比5％加入PVB进行造粒，压片成型(等静压)，排塑后得到陶瓷生坯。4)将坯体样片重叠放在铺有同成分的熟料粉末的承烧板上，外围用少量氧化铅补偿，用坩埚密封，升温到烧结温区1050-1150℃，保温2-4h进行烧结。5)对样品两面抛光处理，超声清洗，然后镀上电极，再进行烧银处理，将镀好电极的样品放置于100-150℃硅油中极化，极化电压为3-5KV/mm，极化时间为10-20min。将极化后的样品老化24h后，再测量电学性能。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1)本专利技术的压电陶瓷材料在基本不降低居里温度和压电性能的前提下，通过采用其他离子或离子团来部分取代钪(Sc)，从而对压电材料进行改性，重新设计形成的具有特定化学结构的压电材料具有较高的居里温度、较高的压电系数、较低的高温介电损耗，成本低，实现大幅度降低材料成本的目的，并提高了其相关电性能，扩大了压电材料的应用范围；2)本专利技术还提供了上述压电陶瓷材料的制备方法，该制备方法通过采用固相反应法，不仅操作步骤简单、操作方便，而且前后步骤衔接比较紧密，绿色环保，成本低。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例5的压电陶瓷材料的XRD图谱；图2为本专利技术实施例5的压电陶瓷材料的介电常数温度曲线。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电陶瓷材料，其特征在于，其具有以下化学通式：(1‑x‑y)[BiSc1‑zMz]O3‑yPb(Mg1/3Nb2/3)O3‑xPbTiO3；其中0.55≤x≤0.70，0≤y≤0.04，0<z≤0.5，M为正三价的离子或离子团。

【技术特征摘要】
1.一种压电陶瓷材料，其特征在于，其具有以下化学通式：(1-x-y)[BiSc1-zMz]O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3；其中0.55≤x≤0.70，0≤y≤0.04，0<z≤0.5，M为正三价的离子或离子团。2.根据权利要求1所述的压电陶瓷材料，其特征在于，M为Co3+、In3+、Fe3+、Ga3+、Yb3+、Cr3+、(Zn0.5Mn0.5)3+、(Zn0.5Ti0.5)3+、(Mg0.5Mn0.5)3+、(Mg0.5Ti0.5)3+、(Ni0.5Mn0.5)3+、(Ni0.5Ti0.5)3+中的其中一种。3.根据权利要求1所述的压电陶瓷材料，其特征在于，其中M为In3+、Fe3+、Yb3+、(Zn0.5Mn0.5)3+、(Mg0.5Ti0.5)3+、(Ni0.5Mn0.5)3+中的其中一种。4.根据权利要求1-3任一项所述的压电陶瓷材料，其特征在于，0.6≤x≤0.65，0≤y≤0...

【专利技术属性】
技术研发人员：冷森林，石维，
申请(专利权)人：铜仁学院，
类型：发明
国别省市：贵州,52