一种钪酸铋-钛酸铅-铁酸铋三元体系压电陶瓷及其声发射传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种高温压电陶瓷声发射传感器，包括封装外壳、透声层、导电胶、压电元件、连接压电元件正电极面的引线、压电元件与封装层之间的背衬层、射频连接器和射频同轴电缆。本发明专利技术所用的压电元件为陶瓷，其中0.30≤x≤0.33,0.05≤y≤0.10，0.02≤a≤0.05,0.01≤b≤0.03，0.01≤c≤0.03。该陶瓷具有高的居里温度(T

【技术实现步骤摘要】
一种钪酸铋
‑
钛酸铅
‑
铁酸铋三元体系压电陶瓷及其声发射传感器


[0001]本专利技术属于高温传感
，涉及一种声发射传感器，具体涉及一种钪酸铋
‑
钛酸铅
‑
铁酸铋三元体系压电陶瓷及其声发射传感器。

技术介绍

[0002]我国高端装备制造业进入快速发展时期，作为智能制造的基础和核心，传感器将助力中国高端制造业的转型升级。压电材料是一种能够实现电能和机械能之间相互转换的功能材料，基于压电材料制备的压电器件在国防、航空航天、新能源、核能、油井探测、汽车内燃机等领域具有迫切的应用需求。近年来随着现代工业的快速发展，压电材料的应用已从常规使用转向高温极端环境下的服役。这相应地对压电材料和压电器件的性能提出了更高的要求，即高工作温度下，性能稳定而不失效。目前市面上商用PZT压电器件受PZT陶瓷居里温度(T
C
)低(小于350℃)的局限，长时间稳定工作温度在170℃以下，无法满足高温极端环境下的应用要求。钪酸铋
‑
钛酸铅(BiScO3‑
PbTiO3)固溶体具有与PZT压电固溶体相媲美的压电性能(d
33
=460pC/N)以及相对较高的T
C
(450℃)。但BiScO3‑
PbTiO3固溶体仍无法满足300℃的高温服役环境。而铁酸铋(BiFeO3)为代表的高温压电陶瓷材料，具有高的居里温度(T
C
=825℃)，但相对较小的压电常数(d
33<br/>=27pC/N)限制了其应用。
[0003]声发射(Acoustic Emission，简称AE)检测技术能够准确探测材料内部发生形变或损伤时产生的声发射信号，单凭检测物体本身发出的故障声发射波实现无损被动检测，具有直接方便、灵敏度高、实时连续等特点。AE技术在高温监测领域具有广阔的市场前景，如石油炼制过程中管道(~300℃)等高温部位开裂情况的在线监控，压水堆核电站的压力容器、主管道、蒸汽发生器等设备在服役过程中的健康检测(280
‑
325℃)，均需要借助于高温环境下工作的声发射传感器。
[0004]因此，要想获得高温下稳定工作的声发射传感器，必须满足以下三点要求：（1）传感器的核心元件压电材料的压电性能具有良好的温度稳定性，避免在高温环境下出现严重的性能恶化问题。（2）传感器的无源材料如匹配层、背衬层、粘接剂等无源材料具有高的耐温性，避免高温环境下的失效现象。（3）传感器的正常工作温度高于接触的区域温度，且具有高灵敏度、高信噪比等特性。

技术实现思路

[0005]针对高温环境对监测传感器的需求，本专利技术提供一种压电声发射传感器，核心压电元件采用高温压电陶瓷，实现了声发射传感器直接应用于高温环境在线监测的目的。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术具体技术方案如下：一种声发射传感器，包括封装外壳、透声层、导电胶、压电元件、射频连接器和射频同轴电缆；所述透声层配置在所述封装外壳的底部开口上，以将所述压电元件配置在所述封
装外壳中；所述压电元件上表面的正电极，通过引线与射频连接器相连；所述射频连接器，配置在所述封装外壳上，另一端与射频同轴电缆相连；所述压电元件下表面的下电极，通过导电胶与透声层连接；所述的压电元件与封装外壳之间填充背衬层。
[0007]优选地，上述所述封装外壳为316不锈钢外壳，结构为圆筒状腔体；透声层为Al2O3陶瓷；背衬层为多孔ZrO2；引线为云母电缆线，其中导体为绞合纯镍线，绝缘材料为耐高温纱、玻璃纤维编织或氟金云母带；高温导电胶包括耐高温银粉导电胶、石墨填充型导电胶或高温铜粉导电胶；射频连接器为SiO2绝缘射频连接器；射频同轴电缆为SiO2绝缘射频同轴电缆。
[0008]优选地，所述射频连接器，配置在所述封装外壳的侧面，射频连接器插入到封装外壳内部的端头为圆环状结构。
[0009]本专利技术声发射传感器的封装外壳的外径为19mm，内径为15mm，壁厚为2mm，其下端和侧壁分别设置开口。
[0010]本专利技术声发射传感器的压电元件为圆片状高温压电陶瓷，化学式为：，其中0.30≤x≤0.33, 0.05≤y≤0.10，0.02≤a≤0.05, 0.01≤b≤0.03，0.01≤c≤0.03。
[0011]本专利技术压电陶瓷具有高的居里温度(T
C
=470℃~500℃)和优异的压电性能(d
33
&gt;230pC/N) 。
[0012]本专利技术压电陶瓷的制备包括以下步骤：1) 按化学组成为的化学计量比称取原料，所述原料为Bi、Sc、Pb、Ti、La、Fe、Ga、Mn的氧化物，通过湿法球磨混合均匀。
[0013]2) 将球磨后的混合料烘干，预烧。
[0014]3) 将预烧的粉料研磨过筛，加入粘合剂造粒，压制成型，并进行排胶处理得到陶瓷素胚。
[0015]4) 将陶瓷素胚高温烧结，得到陶瓷片。
[0016]5) 将烧结完成的陶瓷片被银。
[0017]6) 将被银后的陶瓷片进行电极化。
[0018]上述步骤1）中，在原料中加入一定比例的乙醇进行湿法球磨，乙醇的加入量为25mL/10g混合料。球磨时间为24小时。
[0019]上述步骤2）中，烘干温度为60
‑
70℃，预烧温度为800℃，预烧时间为2h。
[0020]上述步骤3）中，预烧粉料研磨过60目筛，粘合剂选用含量为5%的PVA水溶液或石蜡，排胶温度为500
‑
600℃，时间为2
‑
4h，成型素胚的尺寸为直径10mm，厚1.2mm。
[0021]上述步骤4）中，烧结温度为1050℃，烧结时间为2h。
[0022]上述步骤5）中，被银烧结的温度为560℃，时间为0.5h。
[0023]上述步骤6）中，电极化在硅油中进行，极化场强为4.5
‑
5kV/mm，极化温度为80℃，极化时间为0.5h。
[0024]有益效果
陶瓷为透声层，银粉导电胶为高温导电胶和粘结剂，Pt金属层为晶片上下电极层，多孔ZrO2为吸声材料。
[0035]其中，陶瓷为0.33Bi
0.991
La
0.009
ScO3‑
0.62PbTiO3‑
0.05Bi
0.999
La
0.001
Fe
0.95
Ga
0.05
O3‑
1mol%Mn的高温压电陶瓷。以分析纯的原料Bi2O3、Sc2O3、PbO、TiO2、La2O3、Fe2O3、Ga2O3、MnO2按照化学计量比配料，加入乙醇，乙醇加入量为25mL/10g混合料，放入球磨罐中球磨24小时混合均匀；混合均匀后将混合料放入烘箱中，60℃烘干；烘干后的混合料研磨并过60目筛；在800℃温度下预烧2h；预烧完成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种声发射传感器，其特征在于：包括封装外壳（1）、透声层（2）、导电胶（3）、压电元件（5）、连接压电元件正电极面的引线（7）、压电元件与封装层之间的背衬层（8）、射频连接器（9）和射频同轴电缆（10）；所述透声层（2）配置在所述封装外壳（1）的底部开口上，以将所述压电元件配置在所述封装外壳（1）中；所述压电元件（5）上表面的正电极（6），通过引线（7）与射频连接器（9）相连；所述射频连接器（9），配置在所述封装外壳（1）上，另一端与射频同轴电缆（10）相连；所述压电元件（5）下表面的下电极（4），通过导电胶（3）与透声层（2）连接；所述的压电元件（5）与封装层之间填充背衬层（8）。2.根据权利要求1所述的声发射传感器，其特征在于，所述封装外壳为316不锈钢外壳，结构为圆筒状腔体；透声层为Al2O3陶瓷；背衬层为多孔ZrO2；引线为云母电缆线，其中导体为绞合纯镍线，绝缘材料为耐高温纱、玻璃纤维编织或氟金云母带；高温导电胶包括耐高温银粉导电胶、石墨填充型导电胶或高温铜粉导电胶；射频连接器为SiO2绝缘射频连接器；射频同轴电缆为SiO2绝缘射频同轴电缆。3.根据权利要求2所述的高温声发射传感器，其特征在于，所述射频连接器（9），配置在所述封装外壳（1）的侧面，射频连接器插入到封装外壳内部的端头为圆环状结构。4.根据权利要求1所述的声发射传感器，其特征在于，所述压电元件为高温压电陶瓷，化学式为： ，其中0.30≤x≤0.33，0.05≤y≤0.10，0.02≤a≤0.05，0.01≤b≤0.03，0.01≤c≤0.03。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄世峰，冯超，杨长红，耿朝辉，张晓芳，刘芬，林秀娟，程新，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：