一种用于高温压电传感器的压电陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种用于高温压电传感器的压电陶瓷材料及其制备方法，该陶瓷材料的化学配比式为：Ca1‑

A Piezoelectric Ceramic Material for High Temperature Piezoelectric Sensor and Its Preparation Method

The invention provides a piezoelectric ceramic material for high temperature piezoelectric sensor and a preparation method. The chemical formula of the ceramic material is: Ca1.

【技术实现步骤摘要】
一种用于高温压电传感器的压电陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及材料
，尤其涉及一种用于高温压电传感器的压电陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
压电陶瓷是一种能够实现机械能与电能相互转换的重要新型功能材料，已被广泛用于航空航天、汽车、通讯、消费类电子产品等众多领域。以锆钛酸铅(PZT)为代表的铅基压电陶瓷因其优异的压电、介电性质是目前应用最为广泛的压电陶瓷材料。随着科学技术的发展与进步，一些高
，比如航空航天、航海、核能、地质勘探等，对压电陶瓷提出了迫切而苛刻的应用需求，要求压电陶瓷能够长时间耐受高温(T>400℃)。根据压电器件应用经验，其正常工作的上限温度通常为1/2TC或2/3TC，这就意味着压电陶瓷的居里温度TC至少高于600℃。目前商用PZT基压电陶瓷TC通常不高于380℃，显然不能满足高温环境应用。铋层状结构铁电体居里温度普遍超过500℃，比如CaBi2Ti4O15(CBT)居里温度约为790℃，Na0.5Bi2.5Nb2O9(NBN)居里温度约为780℃，CaBi2Nb2O9(CBN)居里温度约为940℃。尽管铋层状结构铁电体具有高的居里温度，但是由于其特殊的晶体结构使其自发极化被限制在二维平面内，因而其压电性很差。虽然人们通过离子掺杂或者制备工艺改进能有效增强其压电活性，但是随着掺杂离子的引入，居里温度通常显著降低，并且高温电阻率ρ(@650℃)通常低于105Ω·cm量级，将严重影响高温压电传感器的温度稳定性。CaBi2Ta2O9(CBTa)是一种典型的含铋层状结构压电材料，它是由类钙钛矿层(CaTa2O7)2-和(Bi2O2)2+层有规律的交替排列而成，居里温度高达到940℃左右，但其压电性仍很低，压电常数d33仅为4pC/N，在650℃的电阻率为~105Ω·cm，且压电常数d33随温度升高衰减明显，不利于高温压电传感器稳定性的提升。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种用于高温压电传感器的压电陶瓷材料及其制备方法。一种用于高温压电传感器的压电陶瓷材料，该陶瓷材料的化学配比式为：Ca1-x-y-z(LM)x/2Ny(NaBi)z/2Bi2Ta2O9；其中L表示Li、Na、K；M表示镧系金属元素或Bi；N表示Sr或+2价空位；x、y、z表示相应元素的摩尔分数；式中0≤x+y+z≤1，且0≤x≤0.4，0≤y≤0.1，0≤z≤1；当z≠0时，(LM)组合不能是(NaBi)。进一步地，如上所述的具有高居里温度的压电陶瓷材料，包括以下步骤：（1）按照所述陶瓷材料的化学配比式，计算、称取各原材料所需质量；（2）将称量好的原材料进行球磨，球磨10-24h；（3）将步骤（2）球磨后的浆料烘烤干，压紧后在原料表面扎出少量细孔后置于马弗炉中，以3℃/min升温速率升至850℃并保温4-6h后自然冷却至室温；（4）将步骤（3）预烧后的产物按照步骤（2）再次球磨10-16h，使粉料混合均匀得到陶瓷前驱粉体；（5）向步骤（4）所得前驱粉体加入质量为8-12%的聚乙烯醇溶液造粒后压制成圆片，得到陶瓷生坯体；（6）将步骤（5）所得陶瓷生坯体置于马弗炉排除陶瓷生坯体中的PVA后并在1080℃-1250℃烧结4-6h即可得到所述陶瓷材料；（7）将步骤（6）得到的陶瓷材料上下表面抛光后涂覆银浆，并烤干后，再于马弗炉中600℃-800℃烧结10-20min以在陶瓷表面得到导电金属银电极；（8）将步骤（7）所得陶瓷置于180℃-220℃硅油中预热10min后分两段施加直流电场，第一段场强为7.0-10.0kV/mm并保压10-20min；第二段场强为10.0kV-15.0kV/mm并保压15-45min即可得到充分极化的压电陶瓷。本专利技术提供的压电陶瓷材料，由于是通过对CaBi2Ta2O9(CBTa)基体进行组分设计与调控，引入的掺杂离子进入CBTa晶格后导致其晶体结构畸变，进而使其自发极化增强，压电性增加，并具有高的居里温度和高温直流电阻率。本专利技术提供的制备方法能够获得致密的CBTa基压电陶瓷体，并使其充分饱和极化，对于压电活性的提高也起到了促进作用。本专利技术与现有的技术相比，其鲜明的优点在于本专利技术提供的CBTa压电陶瓷兼具高居里温度、高压电活性、高温直流电阻率大及温度稳定性。附图说明图1为实施例1、2、5中样品的介温曲线。图2为实施例1中样品的高温电阻率。图3为实施例5中样品的高温电阻率。图4为实施例1、2、5中样品的退火曲线。图5为实施例1中样品2#的微观表面形貌图片。图6为实施例2中样品的XRD图谱。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种兼具高居里温度、高压电活性、高温直流电阻率大、温度稳定性好，用于高温压电传感器的压电陶瓷材料及其制备，其特征在于：所述陶瓷材料的化学配比式为：Ca1-x-y-z(LM)x/2Ny(NaBi)z/2Bi2Ta2O9；其中L表示Li、Na、K；M表示镧系金属元素或Bi；N表示Sr或+2价空位；x、y、z表示相应元素的摩尔分数。式中0≤x+y+z≤1，且0≤x≤0.4，0≤y≤0.1，0≤z≤1；当z≠0时，(LM)组合不能是(NaBi)。其制备方法包括以下步骤：（1）按照所述陶瓷材料的化学配比式，计算称取各原材料所需质量；（2）将称量好的原材料进行球磨，球磨10-24h；（3）将步骤（2）球磨后的浆料烘烤干，压紧后在原料表面扎出少量细孔后置于马弗炉中，以3℃/min升温速率升至850℃并保温4-6h后自然冷却至室温；（4）将步骤（3）预烧后的产物按照步骤（2）再次球磨10-16h，使粉料混合均匀得到陶瓷前驱粉体；（5）向步骤（4）所得前驱粉体加入质量为8-12%的聚乙烯醇溶液造粒后压制成圆片，得到陶瓷生坯体；（6）将步骤（5）所得陶瓷生坯体置于马弗炉排除陶瓷生坯体中的PVA后并在1080℃-1250℃烧结4-6h即可得到所述陶瓷材料；（7）将步骤（6）得到的陶瓷材料上下表面抛光后涂覆银浆并烤干后，然后再于马弗炉中600℃-800℃烧结10-20min以在陶瓷表面得到导电金属银电极；（8）将步骤（7）所得陶瓷置于180℃-220℃硅油中预热10min后分两段施加直流电场，第一段场强为7.0-10.0kV/mm并保压10-20min；第二段场强为10.0kV-15.0kV/mm并保压15-45min即可得到充分极化的压电陶瓷。请参阅图1-图6，从图1-图6可以看出，通过本专利技术方法制备的压电陶瓷材料兼具居里温度高、高温直流电阻率大、压电活性好、热稳定性好的优点。实施例1：(1)固相法制备高居里温度压电陶瓷粉体将原料分别按通式Ca1-x(LiCe)x/2Bi2Ta2O9（x=0、0.06）来计算配方，将化学计量比的原料进行称量、配料，放于聚氨酯球磨罐中，以无水乙醇为分散介质，用行星式球磨机球磨16h后，转速为180rpm，随后出料，在烘灯下烘烤直至烘干，然后在程序控温本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高温压电传感器的压电陶瓷材料，其特征在于：该陶瓷材料的化学配比式为：Ca1‑x‑y‑z(LM)x/2Ny(NaBi)z/2Bi2Ta2O9；其中L表示Li、Na、K；M表示镧系金属元素或Bi；N表示Sr或+2价空位；x、y、z表示相应元素的摩尔分数，式中0≤ x+y+z≤1，且0≤ x ≤0.4，0≤ y ≤0.1，0≤z ≤1。

【技术特征摘要】
1.一种用于高温压电传感器的压电陶瓷材料，其特征在于：该陶瓷材料的化学配比式为：Ca1-x-y-z(LM)x/2Ny(NaBi)z/2Bi2Ta2O9；其中L表示Li、Na、K；M表示镧系金属元素或Bi；N表示Sr或+2价空位；x、y、z表示相应元素的摩尔分数，式中0≤x+y+z≤1，且0≤x≤0.4，0≤y≤0.1，0≤z≤1。2.如权利要求1所述的用于高温压电传感器的压电陶瓷材料，其特征在于：当z≠0时，(LM)组合不能是(NaBi)。3.如权利要求1所述的用于高温压电传感器的压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）按照所述陶瓷材料的化学配比式，计算称取各原材料所需质量；（2）将称量好的原材料进行球磨，球磨10-24h；（3）将步骤（2）球磨后的浆料烘烤干，压紧后在原料表面扎出少量细孔后置于马弗炉中，以3℃/min升温速率升至8...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈强，钟建强，朱建国，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51