一种掺杂LaMnO3的钛酸铋铁高温压电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种掺杂LaMnO3的钛酸铋铁（Bi5Ti3FeO15）复合高温压电陶瓷及其制备方法，所述高温压电陶瓷以钛酸铋铁为基体，掺杂的LaMnO3包覆在钛酸铋铁基体的表面；所述复合高温压电陶瓷组成由以下通式表示：(1‑x)Bi5Ti3FeO15‑xLaMnO3，与现有技术相比，本发明专利技术制备的高温压电陶瓷材料能够显著提高压电性能，并有效的保持温度稳定性，利用此类陶瓷元件组装成的压电传感器，可以在高温下的使用，能够广泛应用于高温测量、探测及自动控制领域。

LaMnO3 doped bismuth titanate ferroelectric high temperature piezoelectric ceramics and preparation method thereof

The present invention relates to a LaMnO 3 doped ferrobismuth titanate (Bi5Ti3FeO 15) composite high temperature piezoelectric ceramic and its preparation method. The high temperature piezoelectric ceramic takes ferrobismuth titanate as matrix, and the doped LaMnO 3 is coated on the surface of the ferrobismuth titanate matrix. The composition of the composite high temperature piezoelectric ceramic is expressed by the following general formula: (1_x) Bi5Ti3FeO 15_xLa. MnO3, compared with the prior art, the high-temperature piezoelectric ceramic material prepared by the present invention can significantly improve the piezoelectric performance and effectively maintain the temperature stability. The piezoelectric sensor assembled with such ceramic components can be used at high temperature and can be widely used in the field of high temperature measurement, detection and automatic control.

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂LaMnO3的钛酸铋铁高温压电陶瓷及其制备方法
本专利技术属于高温无铅压电陶瓷材料领域，尤其涉及一种掺杂LaMnO3的钛酸铋铁(Bi5Ti3FeO15)高温压电陶瓷及其制备方法。
技术介绍
耐高温的压电陶瓷材料在压力传感器、应力传感器、声波传感器和振动传感器中有着良好的应用前景。目前已商业化的高温压电材料主要是单晶石英(α-SiO2)、LiNbO3、GaPO4、La3Ga5SiO14等压电单晶，但是生长此类压电单晶需要昂贵的设备并且产率较低。对比而言，压电多晶陶瓷材料更容易对组分、形状及性能进行修饰，制备过程相对简单，应用前景更为广泛。铋层状结构压电陶瓷材料是压电陶瓷材料的重要组成部分，由于其在高温下性能稳定而受到广泛关注。铋层状结构陶瓷材料具有介电常数低、介电击穿强度高、谐振频率温度系数低、各向异性强、老化率低等优点。这些优良性能保证了铋层状结构陶瓷在高温下的应用。然而，铋层状结构陶瓷还存在一定的问题：压电性能低、极化困难，这主要是由于其自发极化强度取向受到二维空间限制和较高的矫顽场造成的。此类材料主要包括CaBi2Nb2O9、Bi4Ti3O12、K0.5Bi4.5Ti4O15、CaBi4Ti4O15等。近十年来，钛酸铋铁(Bi5Ti3FeO15)由于其优良的多铁性得到广泛关注，但作为一类铋层状高温压电陶瓷，其压电性能(压电常数)相对较低，研究较少。综上可知，钛酸铋铁作为一种压电陶瓷材料仍然存在压电性能低等缺点，因此，有必要对其压电性能进行改进。根据以往的研究经验，La的掺杂能够有效提高材料致密性，降低矫顽场，从而提高自发极化强度。而Mn的掺杂能够有效提高钙钛矿结构和铋层状结构的压电性能；另外，通过Mn的掺杂，能够提高氧空位浓度，抑制畴壁运动，从而降低损耗。因此，本专利技术拟将La和Mn以LaMnO3的形式掺杂到钛酸铋铁，以期改善钛酸铋铁的压电性能。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术旨在提供一种掺杂LaMnO3的钛酸铋铁高温压电陶瓷及其制备方法，与现有技术相比，本专利技术制备的高温压电陶瓷材料能有效的保持温度稳定性，利用此类陶瓷元件组装成的压电传感器，能够在高温条件下使用，可以广泛应用于高温测量、探测及自动控制等领域。本专利技术的目的之一是提供一种掺杂LaMnO3的钛酸铋铁高温压电陶瓷。本专利技术的目的之二是提供一种掺杂LaMnO3的钛酸铋铁高温压电陶瓷的制备方法。本专利技术的目的之三是提供上述掺杂LaMnO3的钛酸铋铁高温压电陶瓷及其制备方法的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术公开了下述技术方案：首先，本专利技术公开了一种掺杂LaMnO3的钛酸铋铁高温压电陶瓷，所述高温压电陶瓷以钛酸铋铁为基体，掺杂的LaMnO3包覆在钛酸铋铁基体的表面；所述高温压电陶瓷组成由以下通式表示：(1-x)Bi5Ti3FeO15-xLaMnO3，其中0≤x≤0.08。优选的，所述高温压电陶瓷的通式中x＝0.02。优选的，所述高温压电陶瓷的通式中x＝0.04。优选的，所述高温压电陶瓷的通式中x＝0.06。优选的，所述高温压电陶瓷的通式中x＝0.08。其次，本专利技术公开了一种掺杂LaMnO3的钛酸铋铁高温压电陶瓷的制备方法，具体的，所述制备方法包括以下步骤：1)按照通式(1-x)Bi5Ti3FeO15-xLaMnO3中的化学计量比称取分析纯粉末原料；其中0≤x≤0.08；2)将步骤1)中的原料混合，并向混合原料中加入去离子水，采用行星球磨工艺进行球磨处理；3)将步骤2)中球磨后的混合湿料烘干，放入烧结炉内预烧，得到预烧粉；4)向步骤3)中的预烧粉中加入去离子水，采用行星球磨工艺进行二次球磨处理，得到混合湿料。5)将步骤4)中的混合湿料烘干，加入粘合剂，造粒并压制成陶瓷坯片，并进行排塑处理；6)将步骤5)中排塑后的陶瓷坯片进行高温烧结，随后自然降温至室温；7)对步骤6)中降温至室温的陶瓷坯片进行抛光处理，随后采用丝网印刷工艺被银电极，进行极化，即得掺杂LaMnO3的钛酸铋铁高温压电陶瓷。步骤1)中，所述分析纯粉末原料为Bi2O3、Fe2O3、TiO2、MnO2、La2O3。步骤3)中，所述预烧处理为：以2-6℃/min的速率升温到800-950℃，保温2-5h。在这一升温速率范围内能够得到高致密性材料。优选的，所述预烧处理为：以4℃/min的速率升温到900℃，保温3h。在这一升温速率下更有助于得到高致密性材料。步骤2)和步骤4)中，所述球磨处理均为：球磨速度205r/min，时间12h，每30min正反转交替，交替时停顿1min。步骤3)和步骤5)中，所述烘干的工艺参数为：在100-110℃下烘干2-5h。优选的，所述烘干的工艺参数为：在105℃下烘干4h。步骤5)中，所述粘合剂包括PVA、PVB、环氧树脂等。优选的，所述黏合剂为PVA。步骤5)中，所述压片处理为：120-180MPa压力下压成直径10-15mm、厚度1-3mm的圆片。优选的，所述压片处理为：150MPa压力下压成直径13mm、厚度2mm的圆片。步骤5)中，所述排塑处理为：在550-750℃下排塑。优选的，所述排塑处理为：650℃下排塑。步骤6)中，所述烧结处理为：使用对应粉料包裹在陶瓷坯片周围，密封在耐高温坩埚中，以2-6℃/min的速率升温到950-1100℃，保温2-4h。优选的，所述烧结处理为：使用对应粉料包裹在陶瓷坯片周围，密封在Al2O3坩埚中，以4℃/min的速率升温到1050℃，保温3h。步骤7)中，所述抛光处理为：使用细砂纸打磨陶瓷坯片，得到直径10-15mm、厚度0.5-1mm的圆片。优选的，所述抛光处理为：使用细砂纸打磨陶瓷坯片，得到直径13mm、厚度1mm的圆片。步骤7)中，所述极化处理为：在硅油中于180-200℃极化15-25min，极化电场为10-15kV/mm。优选的，所述极化处理为：在硅油中于200℃极化20min，极化电场为12kV/mm。最后，本专利技术公开了上述掺杂LaMnO3的钛酸铋铁高温压电陶瓷及其制备方法的应用，所述应用包括：压力传感器、应力传感器、声波传感器和振动传感器等高温测量、探测及自动控制等领域。在本专利技术中，通过La的掺杂，有效提高材料致密性，降低矫顽场，从而提高自发极化强度，提高压电性能；Mn的掺杂能够提高氧空位浓度，抑制畴壁运动，从而降低损耗。与现有技术相比，本专利技术取得了以下有益效果：(1)本专利技术通过向Bi5Ti3FeO15基体中掺杂一定摩尔比的LaMnO3，制备的铋层状结构高温压电陶瓷材料(1-x)Bi5Ti3FeO15-xLaMnO3，使Bi5Ti3FeO15基体的压电性能得到显著提高，其中0.96Bi5Ti3FeO15-0.04LaMnO3在1MHz下的压电常数和介电损耗最优值达到了d33＝25pC/N、tanδ＝0.3％，远优于现有的技术中Bi5Ti3FeO15压电陶瓷的压电常数和介电损耗。(2)本专利技术制备的高温压电陶瓷材料的居里温度Tc最高达到了770℃，并且在400℃能够保持良好的温度稳定性。(3)本专利技术制备的陶瓷材料是一种新型的、绿色环保的压电陶瓷材料，且本专利技术的制备工艺简单，操作方便，适于大规模工业生产。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺杂LaMnO3的钛酸铋铁高温压电陶瓷；其特征在于：所述高温压电陶瓷以钛酸铋铁为基体，掺杂的LaMnO3包覆在钛酸铋铁基体的表面；所述高温压电陶瓷组成由以下通式表示：(1‑x)Bi5Ti3FeO15‑xLaMnO3，其中0≤x≤0.08。

【技术特征摘要】
1.一种掺杂LaMnO3的钛酸铋铁高温压电陶瓷；其特征在于：所述高温压电陶瓷以钛酸铋铁为基体，掺杂的LaMnO3包覆在钛酸铋铁基体的表面；所述高温压电陶瓷组成由以下通式表示：(1-x)Bi5Ti3FeO15-xLaMnO3，其中0≤x≤0.08。2.如权利要求1所述的掺杂LaMnO3的钛酸铋铁高温压电陶瓷的制备方法；其特征在于：所述高温压电陶瓷的通式中x＝0.02；优选的，所述高温压电陶瓷的通式中x＝0.04；优选的，所述高温压电陶瓷的通式中x＝0.06；优选的，所述高温压电陶瓷的通式中x＝0.08。3.如权利要求1或2所述的掺杂LaMnO3的钛酸铋铁高温压电陶瓷的制备方法；其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：1)按照通式(1-x)Bi5Ti3FeO15-xLaMnO3中的化学计量比称取分析纯粉末原料；其中0≤x≤0.08；2)将步骤1)中的原料混合，并向混合原料中加入去离子水，采用行星球磨工艺进行球磨处理；3)将步骤2)中球磨后的混合湿料烘干，放入烧结炉内预烧，得到预烧粉；4)向步骤3)中的预烧粉中加入去离子水，采用行星球磨工艺进行二次球磨处理，得到混合湿料。5)将步骤4)中的混合湿料烘干，加入粘合剂，造粒并压制成陶瓷坯片，并进行排塑处理；6)将步骤5)中排塑后的陶瓷坯片进行高温烧结，随后自然降温至室温；7)对步骤6)中降温至室温的陶瓷坯片进行抛光处理，随后采用丝网印刷工艺被银电极，进行极化，即得掺杂LaMnO3的钛酸铋铁高温压电陶瓷。4.如权利要求2所述的高温压电陶瓷的制备方法；其特征在于：步骤1)中，所述分析纯粉末原料为Bi2O3、Fe2O3、TiO2、MnO2、La2O3；优选的，步骤2)和步骤4)中，所述球磨处理均为：球磨速度205r/min，时间12h。每30min正反转交替，交替时停顿1min。5.如权利要求2所述的高温压电陶瓷的制备方法；其特征在于：步骤3)和步骤5)中，所述烘...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春明，王茜，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37