一种压电陶瓷材料、其制备方法及压电陶瓷传感器技术

本发明专利技术涉及一种压电陶瓷材料、其制备方法及压电陶瓷传感器。所述压电陶瓷材料为钐、钪共掺杂铁酸铋‑钛酸钡‑钛酸锶压电陶瓷材料，其是由铁电材料BiFeO

【技术实现步骤摘要】
一种压电陶瓷材料、其制备方法及压电陶瓷传感器
本专利技术涉及压电陶瓷传感器
，具体涉及一种压电陶瓷材料、其制备方法以及压电陶瓷传感器。
技术介绍
压电材料是一类能够实现机械能与电信号之间相互转换的功能材料，在国民生活、机械制造、航空航天、探测、军事国防等领域广泛应用。压电材料包含压电单晶、压电陶瓷、压电高分子以及压电复合材料等几大类。其中，压电陶瓷由于其合成工艺简单、合成成本低、压电性能优异以及组分可调等特点，占据着压电材料市场主导地位。目前，Pb(Zr,Ti)O3(PZT)陶瓷材料拥有优异的介电和压电性能，居里温度Tc＝360℃是高温压电陶瓷的热门材料。然而，PZT陶瓷材料在200℃以上的温度无法安全工作，同时Pb易挥发，对环境和人体的污染不可忽略。因此研究具有高的居里温度和优异压电性能的无Pb陶瓷体系是日益增长的汽车制造、航空、石油化工等领域的迫切需要。目前无Pb压电陶瓷体系主要有钛酸钡基(BaTiO3)，钛酸秘钠基(Bi0.5Na0.5TiO3)，酸钾钠基(KNaNbO3),秘层状基、钨青铜基、铝酸秘基(BiAlO3)以及铁酸秘基(BiFeO3)等陶瓷体系。其中BiFeO3基陶瓷由于其高的居里温度(Tc＝830℃)和尼尔温度(TN＝370℃)使得其在电子器件等领域有广阔的应用前景。然而，由于该体系的压电陶瓷在烧结过程中，Bi3+易挥发，以及Fe3+被还原为Fe2+，产生了大量的氧空位缺陷，导致室温下电阻率低、漏电流大，造成绝缘性能差以及介电损耗高等缺陷，不利于BiFeO3陶瓷的制备和高电场极化，限制了其实际应用。为了提高BiFeO3基压电陶瓷的性能，目前主要通过优化制备工艺，如采用水淬法、快速液相烧结法、A、B位元素掺杂，如A位掺入Sm3+、La3+,Nd3+等离子，B位掺入Al3+,Sc3+,Ti4+等离子，与其他稳定ABO3结构形成固溶体等方式，如:BaTiO3，SrTiO3，NaNbO3等，其中，BiFeO3-BaTiO3基材料相比于纯的BiFeO3基材料结构更加稳定，绝缘性能和压电性能更好，但是其在高温和高电场下的应用受到限制。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种压电陶瓷材料，其具有良好的压电性能，较高的居里温度，优异的疲劳特性等优点。本专利技术的具体技术方案为：一种压电陶瓷材料，其为钐、钪共掺杂铁酸铋-钛酸钡-钛酸锶压电陶瓷材料，其是由铁电材料BiFeO3、BaTiO3和SrTiO3通过掺杂稀土元素Sm、Sc并固相烧结制成，具有以下化学通式：0.4Bi0.85Sm0.15Fe0.95Sc0.05O3-0.27BaTiO3-0.33SrTiO3。相对于现有技术，本专利技术所述压电陶瓷材料，其利用Sm和Sc掺杂改性纯铁酸铋-钛酸钡-钛酸锶材料，通过Sm取代铁酸铋晶格中的Bi，进而避免了烧结过程中温度过高导致较多的Bi的挥发，使得化学计量比失衡，从而产生较多的杂相，同时电阻率急剧下降的技术问题；此外利用Sc的掺杂能够提高Fe3+的稳定性，有效抑制Fe3+向Fe2+的转变，进而避免两种价态铁离子之间的电荷流动，有效提高电容器电介质的压电性能。稀土元素Sm、Sc的掺杂，改善了纯BiFeO3电阻率低，漏电流大的缺点，大大提升了压电材料的压电性能和疲劳特性，其压电常数d33为120pC/N，老化时间大于900h，疲劳循环次大于105，且具有较高的居里温度Tc＝400℃。另外，本专利技术还提供了上述压电陶瓷材料的制备方法，其包括以下操作步骤：步骤S1、配料选取分析纯Bi2O3、BaCO3、TiO2、Sm2O3、Sc3O2、SrCO3和Fe2O3为原料，按制备化学通式为[0.4Bi0.85Sm0.15Fe0.95Sc0.05O3-0.27BaTiO3-0.33SrTiO3]体系所需化学计量比称取上述原料粉料；步骤S2、球磨对步骤S1所得原料粉料进行球磨处理，得到混合粉料；对所述混合粉料进行密封预烧2小时，再对预烧后的混合粉料进行二次球磨处理；步骤S3、研磨造粒向步骤S2所得混合粉料加入胶黏剂充分研磨造粒，然后压成压电陶瓷胚体；步骤S4、排胶烧结对步骤S3所得压电陶瓷胚体进行排胶处理，随后将排胶处理后的压电陶瓷胚体密封烧结3小时，待冷却后即得所述压电陶瓷材料。本专利技术实施例所述压电陶瓷材料的制备方法中，步骤S2中通过球磨对称量的粉体进行初步混合，工艺简单，易于实现；利用密封预烧可以除去原料粉料中的挥发物，以防烧结过程中收缩过大而产生裂纹，同时也可以形成所需的晶向；对预烧后的粉料二次球磨能得到组分更均匀、颗粒更细的目标粉体，有利于提升后续压电陶瓷材料的耐压性能以及优化微观结构；所述步骤S4的固相烧结过程进一步促进所需晶向的形成，并使其更加致密化，使得材料结构非常致密，基本没有空洞存在，同时晶粒清晰大小均一，从而得到性质优异的压电陶瓷。相对于热压烧结和快速液相烧结，本专利技术通过固相烧结方法烧结形成压电陶瓷材料，基本无杂相生成，结构更致密、组分更均一，压电性能更优异，并具有较高的居里温度，优异的疲劳特性，且该制备方法工艺简单、生产效率高、更易于控制陶瓷结构的生成。进一步地，所述步骤S2中的球磨处理为在粉料中加入氧化锆磨球和乙醇后，以300～500转/分钟的转速球磨12～36小时。进一步地，所述步骤S2中所述球磨处理中所述粉料与所述氧化锆磨球的质量比为1:1，所述氧化锆磨球的直径为3～6mm。进一步地，所述步骤S2中氧化锆磨球中直径为6mm的磨球、直径为4～5mm的磨球以及直径为3mm的磨球的数量比为1:2:3。氧化锆磨球的致密度高，质地细腻，经研磨加工后，表面光洁度高，摩擦系数小，不同直径大小的磨球配合使用比单种尺寸的磨球研磨效果更好，且研磨效率高。进一步地，所述步骤S2中在球磨处理、密封预烧以及二次球磨处理后还包括对所得混合粉料进行烘干，并对烘干后不含乙醇的混合粉料进行研磨。通过多次球磨和每次烘干后的研磨，能进一步使得混合粉体更均匀、颗粒更精细，有利于煅烧后得到陶瓷结构更加致密、钙钛矿结构更加稳定。进一步地，所述步骤S2中所述密封预烧的具体操作步骤为先将干燥后的混合粉料放置于一个氧化铝坩埚中，并将该氧化铝坩埚正放置于氧化铝烧结板上，并在该氧化铝坩埚周围沿周向添加一层与所述混合粉料成分及配比相同的原料粉料；再在盛放有所述混合粉料的氧化铝坩埚上方倒扣放置一个氧化铝坩埚，并在倒扣放置的氧化铝坩埚开口处沿周向覆盖一层氧化铝粉末进行密封。进一步地，步骤S3所述排胶处理为将压电陶瓷胚体先在300℃保温1小时后升温至500℃保温2小时；所述密封预烧的处理温度为800℃，所述密封烧结的处理温度为1100℃。进一步地，所述步骤S4中所述密封烧结的具体操作步骤为先将所述陶瓷胚体正放置于氧化铝烧结板上，并在所述陶瓷胚体上添加一层与所述混合粉料成分及配比相同的原料粉料；再在所述陶瓷胚体的上方倒扣放置氧化铝坩埚，并在所述氧化铝坩埚开口处沿周向覆盖一层氧化铝粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电陶瓷材料，其特征在于：为钐、钪共掺杂铁酸铋-钛酸钡-钛酸锶压电陶瓷材料，其是由铁电材料BiFeO

【技术特征摘要】
1.一种压电陶瓷材料，其特征在于：为钐、钪共掺杂铁酸铋-钛酸钡-钛酸锶压电陶瓷材料，其是由铁电材料BiFeO3、BaTiO3和SrTiO3通过掺杂稀土元素Sm、Sc并固相烧结制成，具有以下化学通式：0.4Bi0.85Sm0.15Fe0.95Sc0.05O3-0.27BaTiO3-0.33SrTiO3。


2.根据权利要求1所述的压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
步骤S1、配料
选取分析纯Bi2O3、BaCO3、TiO2、Sm2O3、Sc3O2、SrCO3和Fe2O3为原料，按制备化学通式为[0.4Bi0.85Sm0.15Fe0.95Sc0.05O3-0.27BaTiO3-0.33SrTiO3]体系所需化学计量比称取上述原料粉料；
步骤S2、球磨
对步骤S1所得原料粉料进行球磨处理，得到混合粉料；对所述混合粉料进行密封预烧2小时，再对预烧后的混合粉料进行二次球磨处理；
步骤S3、研磨造粒
向步骤S2所得混合粉料加入胶黏剂充分研磨造粒，然后压成压电陶瓷胚体；
步骤S4、排胶烧结
对步骤S3所得压电陶瓷胚体进行排胶处理，随后将排胶处理后的压电陶瓷胚体密封烧结3小时，待冷却后即得所述压电陶瓷材料。


3.根据权利要求2所述的压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中的球磨处理为在粉料中加入氧化锆磨球和乙醇后，以300～500转/分钟的转速球磨12～36小时。


4.根据权利要求3所述的压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中所述球磨处理中所述粉料与所述氧化锆磨球的质量比为1:1，所述氧化锆磨球的直径为3～6mm。


5.根据权利要求4所述的压电陶瓷材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春，李立新，
申请(专利权)人：广东天瞳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44