无铅压电陶瓷材料和无铅压电元件制造技术

本公开涉及无铅压电陶瓷材料和无铅压电元件。在一些实施例中，无铅压电陶瓷材料包括：基体材料，该基体材料为铋层状化合物，并且该基体材料中掺杂有组分铌和组分铈的至少一种。根据本公开的无铅压电陶瓷材料和无铅压电元件，能够适合高温和高频环境的使用。

【技术实现步骤摘要】

本公开涉及电子陶瓷材料，尤其涉及铋层状无铅压电陶瓷材料和压电元件。
技术介绍
随着科学技术的发展，很多工业设备对压电器件的使用范围和使用条件要求越来越苛刻，在大功率超声器件、高温物体超声波、高温物体的振动、加速度和压力测定都必须选用高温压电材料。目前，国内外可用于高温(大于400℃)环境的压电陶瓷材料主要采用铋层状结构无铅压电陶瓷，然而，传统的铋层状结构无铅压电陶瓷材料的压电活性随温度的漂移较大，不适用于高温工作环境。
技术实现思路
根据本公开的一方面，提供一种无铅压电陶瓷材料，包括基体材料，该基体材料为铋层状结构化合物，并且该基体材料中掺杂有组分铌和组分铈中的至少一种。根据本公开的另一方面，提供一种无铅压电元件，包括无铅压电陶瓷材料，其中，无铅压电陶瓷材料包括基体材料，该基体材料为铋层状结构化合物，并且该基体材料中掺杂有组分铌和组分铈中的至少一种。根据本公开的铋层状无铅压电陶瓷材料和无铅压电元件，在高温条件下具有良好的压电性能，因此适合用于高温环境。附图说明通过参考附图会更加清楚地理解本公开实施例的特征和优点，并且附图仅是示意性的，不应理解为对本公开进行任何限制，在附图中：图1是示出了根据本公开一些示例性实施例的铋层状无铅压电陶瓷材料的结构示意图；图2是示出了根据本公开一些示例性实施例的制备铋层状无铅压电陶瓷材料的方法的流程图；图3是示出了根据本公开另一些示例性实施例的制备铋层状无铅压电陶瓷材料的方法的更详细的流程图；图4是示出了根据本公开一些示例性实施例的铋层状无铅压电陶瓷材料的老化率随复合掺杂含量变化的曲线；图5是示出了根据本公开一些示例性实施例的铋层状无铅压电陶瓷材料在掺杂取代改性前后灵敏度漂移-温度特性曲线图。具体实施方式下面对本专利技术的实施例的详细描述涵盖了许多具体细节，以便提供对本专利技术的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本专利技术可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本公开的示例来提供对实施例更清楚的理解。本公开绝不限于下面所提出的任何具体配置，而是在不脱离本公开的精神的前提下覆盖了相关元素、部件的任何修改、替换和改进。在一些实施例中，根据本公开的无铅压电陶瓷材料包括基体材料，该基体材料为铋层状结构化合物，并且基体材料中外掺杂有组分铌和组分铈中的至少一种。根据本公开的无铅压电陶瓷材料和压电元件，基体材料通过组分铌和组分铈中的至少一种掺杂改性，因而在高温条件下具有良好的压电性能，从而适合于高温环境下使用。下面将结合图1来说明本公开一些实施例的铋层状无铅压电陶瓷材料。如图1所示，压电陶瓷材料包括基体材料100，该基体材料100为铋层状结构，这种结构包括钙钛矿型结构层101和铋氧层102，其中钙钛矿型结构层101和铋氧层102交错排列。继续参考图1，在一些实施例中，钙钛矿型结构层101和铋氧层102沿该基体材料100的c轴方向交错排列，其中，每两层铋氧层102之间至
少有一层钙钛矿型结构层。一般来说，随着每两层铋氧层102之间的钙钛矿型结构层数量的增加，该压电陶瓷材料的压电活性越高，结构越趋于单晶，居里点Tc越高，老化率越低，电阻率越高。在一些实施例中，基体材料可以为铋层状结构，其结构通式为(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-，其中，(Bi2O2)2+代表铋氧层，(Am-1BmO3m+1)2-代表钙钛矿型结构层，并且其中，m表示每两层(Bi2O2)2+之间的(Am-1BmO3m+1)2-的数量。在一些实施例中，基体材料100可以为Na0.5Bi4.5Ti4O15，其通式为(Bi2O2)2+(Na0.5Bi2.5Ti4O13)2-，这种结构是由钙钛矿型结构层(Na0.5Bi2.5Ti4O13)2-和铋氧层(Bi2O2)2+沿c轴方向交错排列而成，每两层铋氧层间有4层钙钛矿层。在另一些实施例中，基体材料100可以为Na0.5Bi3.5Ti3O12，其通式为(Bi2O2)2+(Na0.5Bi1.5Ti3O10)2-，这种结构是由钙钛矿型结构层(Na0.5Bi1.5Ti3O10)2-和铋氧层(Bi2O2)2+沿c轴方向交错排列而成，每两层铋氧层间有3层钙钛矿层。如上所述，根据本公开的压电陶瓷材料，基体材料100可以通过外掺杂组分铌Nb和组分铈Ce中的至少一种掺杂改性。在一些实施例中，组分铌Nb可以取自氧化铌Nb2O5，且组分铌Nb的掺杂量按Nb2O5换算。在一些实施例中，组分铈Ce可以取自氧化铈CeO2，且组分铈Ce掺杂量按CeO2来换算。应理解，虽然在本公开中Nb，Ce以Nb2O5，CeO2为例来说明，但是并不限于此具体氧化物，而是可以采用其他铌化合物和铈化合物。在一些实施例中，基体材料100可以单独掺杂氧化铌或氧化铈，或者基体材料100也可以掺杂氧化铌和氧化铈二者。氧化铌的掺杂量可以不大于7mol％范围内，氧化铈的掺杂量可以不大于2wt％。应理解，mol％为摩尔百分比，wt％为重量百分比，均为相对于基体材料的含量。例如，基体材料100单独外掺杂氧化铌Nb2O5的情形中，压电陶瓷材料可以被表示为Na0.5Bi4.5Ti4O15+x mol％Nb2O5，其中0＜x≤7。此外，基体材料100单独外掺杂CeO2的情形中，压电陶瓷材料可以被表示为
Na0.5Bi4.5Ti4O15+y wt％CeO2，其中0＜y≤2。此外，基体材料100外掺杂Nb2O5和CeO2的情形中，压电陶瓷材料可以被表示为Na0.5Bi4.5Ti4O15+x mol％Nb2O5+y wt％CeO2，其中，0＜x≤7；0＜y≤2，复合掺杂Nb2O5和CeO2可以使基体Na0.5Bi4.5Ti4O15的压电常数d33值达到35pC/N，压电活性得到显著的提高。在一些实施例中，所述基体材料100中还可以被取代掺杂有组分锶Sr和组分钡Ba中的至少一种，并且锶Sr可以取自碳酸锶SrCO3，钡Ba可以取自碳酸钡BaCO3。在此情况中，基体材料100中的部分Na+可以被Sr2+和Ba2+中的至少一种取代。也就是说，部分Na离子可以由Sr2+取代，或者部分Na离子可以由Ba2+取代，或者，部分Na离子的其中一部分由Sr2+取代，另一部分由Ba2+取代。虽然在本公开中Sr，Ba以SrCO3，BaCO3为例来说明，但是本公开并不限于此，而是可以采用其他锶化合物和钡化合物。作为一个示例，在基体材料100外掺杂了Nb2O5和CeO2二者的情形中，Sr2+取代部分Na+，此时，压电陶瓷材料可以被表示为(Na0.5-zSrz)Bi4.5Ti4O15+x mol％Nb2O5+y wt％CeO2，其中0＜x≤7，0＜y≤2，0＜z＜0.5)。作为另一个示例，在基体材料100外掺杂了Nb2O5和CeO2二者的情形中，Ba2+取代部分Na+，此时，压电陶瓷材料可以被表示为(Na0.5-wBaw)Bi4.5Ti4O15+x mol％Nb2O5+y wt％CeO2，其中，0＜x≤7，0＜y≤2，0＜w＜0.5)。在又一个示例中，在基体材料100外掺杂了Nb2O5和CeO2二者的情形中，部分Na+中的其中一部分被Sr2+取代，其中另一部分被Ba2+取代，此时，压电陶瓷材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无铅压电陶瓷材料，包括：基体材料，所述基体材料为铋层状化合物，并且所述基体材料中，掺杂有组分铌和组分铈中的至少一种。

【技术特征摘要】
1.一种无铅压电陶瓷材料，包括：基体材料，所述基体材料为铋层状化合物，并且所述基体材料中，掺杂有组分铌和组分铈中的至少一种。2.如权利要求1所述的无铅压电陶瓷材料，其中，所述基体材料为Na0.5Bi4.5Ti4O15或Na0.5Bi3.5Ti3O12。3.如权利要求2所述的无铅压电陶瓷材料，其中，所述组分铌取自氧化铌Nb2O5，所述组分铈取自氧化铈CeO2。4.如权利要求1所述的无铅压电陶瓷材料，其中，所述组分铌的含量按Nb2O5计，所述Nb2O5相对于所述基体材料的含量不大于7mol％。5.如权利要求1所述的无铅压电陶瓷材料，其中，所述组分铈的含量按CeO2计，所述CeO2相对于所述基体材料的含量不大于2wt％。6.如权利要求2所述的无铅压电陶瓷材料，其中，所述基体...

【专利技术属性】
技术研发人员：李权，聂泳忠，
申请(专利权)人：西人马厦门科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35