一种钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的制备方法，其化学计量式为Na

【技术实现步骤摘要】
一种钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的制备方法
本专利技术涉及压电陶瓷的制备，尤其涉及一种钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的制备方法。
技术介绍
压电陶瓷可以实现机械能和电能之间的转换，是一种重要的电子功能陶瓷材料，广泛应用于电、光、声、热等领域的一些能量转换、滤波、存储等器件中。近年来，随着压电陶瓷应用范围的进一步拓展，在一些极端环境下对压电陶瓷的服役性能提出了新的挑战。例如高温加速度传感器等必须采用具有较高居里温度的压电陶瓷，这样才能保证压电器件可在较宽温度范围内正常工作。在众多压电陶瓷材料中，Na0.5Bi4.5Ti4O15铋层状压电陶瓷是一种重要的无铅环保材料，具有高居里温度（>650℃）、低损耗、良好的抗疲劳性等特点，具有广阔的市场应用前景。但是，由于铋层状材料独特的层状晶体结构将自发极化限制在a-b二维平面内，导致材料的矫顽场强高，难以极化，压电活性低，大大限制了其实际的应用。有效解决这一问题的方法之一是对BNT压电陶瓷进行掺杂改性。研究表明，B位掺杂可以明显提高BNT压电陶瓷的铁电和压电性能，且对于居里温度的影响较小。虽然目前有研究者使用Ta或者Ta、Nb等单一或复合掺杂的方式取代BNT的B位离子，但是压电常数均在30pC/N以下，使得实际使用时加速度传感器灵敏度偏低。也有研究者使用模板晶粒生长法等方式使陶瓷晶粒定向排列，以此提高BNT压电陶瓷的压电性能，但是这些方式会降低压电陶瓷的高温电阻率，降低传感器高温使用时的稳定性、可靠性，同时这些方式也不适用于大规模工业化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的是在不降低居里温度的前提下提高钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的压电常数和高温电阻率，通过调整掺杂离子含量和改变制备工艺等方面提高电学性能，提供一种能具有较好的电学性能、较高电阻率和较高居里温度的钛酸铋钠体系的钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的制备方法,其主要应用于工作温度为482℃的高温加速度传感器器件，提高传感器的灵敏度和高温使用时的稳定性、可靠性。本专利技术采取的技术方案是：一种钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的制备方法，制备步骤如下：（1）、配料将原料Na2CO3、Bi2O3、TiO2和Co2O3，按以下计量式：Na0.5Bi4.5Ti4-xCoxO15-x/2进行混合，式中，摩尔含量x=0～0.075，混合后的原料放入球磨罐中球磨，球磨介质为无水乙醇和玛瑙球，玛瑙球、原料、无水乙醇的重量比为1.0：(0.4～0.8)：0.5，球磨时间为8h，球磨机频率为33.5Hz，再将混合料放入烘箱内烘干，然后放入研钵内研磨，过40目筛构成混合原料；（2）、合成将步骤（1）中过筛后的混合原料，放入坩埚内，压实，加盖，密封，在合成炉中于750℃～850℃合成，保温2h～4h，自然冷却到室温，出炉；（3）、二次球磨将步骤（2）的合成料放入球磨罐中二次球磨粉碎，球磨时间为8h，球磨机频率为33.5Hz，再将球磨后的料放入烘箱内烘干，然后放入研钵内研磨、过40目筛构成合成粉料；（4）、压片将步骤（3）过筛后的合成粉料的三分之二加入PVA水溶液后放入研钵中充分研磨进行造粒，用电动压片机压成柱状，再将其捣碎，研磨过筛，然后采用干压和等静压相结合的方式压制成型为片坯件，使用等静压机压制成型的压强为300MPa；（5）、排胶将步骤（4）的片坯件放入马弗炉中，以2℃/min～5℃/min的速率升温至650℃～750℃后，保温20min～40min，随炉自然冷却至室温；（6）、烧结将步骤（5）排胶后的片坯件放进坩埚中并加入步骤（3）剩余的三分之一的合成粉料进行埋烧，以4℃/min～8℃/min的升温速率升温至1040℃～1100℃烧结，保温2h～4h，随炉自然冷却至室温，制得钛酸铋钠铋层状压电陶瓷；（7）、涂电极与表面处理将步骤（6）得到的钛酸铋钠铋层状压电陶瓷上下两个面进行抛光至厚度为1mm～1.2mm，然后在上下表面利用丝网印刷的方式涂覆银电极，以4℃/min～8℃/min的升温速率升温至700℃～900℃烧银，保温10min～20min；冷却取出后放入硅油中，在160℃～200℃条件下，使用高压极化台在直流电场下进行极化，直流电场极化场强为10000V/mm，极化时间为30min，得到最终的钛酸铋钠铋层状压电陶瓷。本专利技术采用的原料Na2CO3、Bi2O3、TiO2和Co2O3，均为质量纯度≥95%的化学纯原料。本专利技术步骤（1）中，优选的玛瑙球、原料、无水乙醇的重量比为1.0：0.7：0.5。本专利技术步骤（6）中，优选的升温速率为6℃/min，烧结温度为1080℃，保温时间为3h。本专利技术钛酸铋钠铋层状压电陶瓷主要应用为工作温度为482℃的高温加速度传感器。本专利技术的有益效果是：以Na0.5Bi4.5Ti4-xCoxO15-x/2压电陶瓷为基础，采用传统的固相反应法，通过原料配方与工艺的调整和改进，调节B位掺杂离子的含量来改善电学性能，提高了铋层状压电陶瓷的压电性能和高温电阻率，得到了一种综合性能较好的压电陶瓷，其中压电常数d33=33pC/N，482℃时高温电阻率ρV=5.87×107Ω·cm，压电常数和高温电阻率两个参数处于目前钛酸铋钠基铋层状压电陶瓷的较高性能水平，居里温度Tc=673℃，介电损耗tanδ=0.35%，用其组装的高温加速度传感器在400℃下灵敏度仍能保持在9.54pC/g。压电常数的大幅度提升可以增加加速度传感器的灵敏度，提高传感器的实际使用精度。高温电阻率的提升可以增加传感器在高温使用时的稳定性。居里温度保持在673℃的较高水平，提高了传感器在高温使用时的可靠性。本专利技术制备的压电陶瓷主要应用于工作温度为482℃的高温加速度传感器，大幅度提高了传感器的灵敏度，增加了传感器在高温使用时的稳定性和可靠性,工艺简单，能够有效降低成本，适合大规模工业化生产。附图说明图1是本专利技术的X射线衍射图谱；图2是本专利技术的压电常数d33图谱；图3是本专利技术实施例3-3的扫描电镜图谱；图4是本专利技术实施例3-3的介电温谱。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术作进一步说明：实施例1，一种钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的制备方法，制备方法如下：（1）、配料将原料Na2CO3、Bi2O3、TiO2和Co2O3，按以下计量式：Na0.5Bi4.5Ti4-xCoxO15-x/2进行混合，式中x=0.05。式中，从左至右的0.5、4.5、4-x、x、15-x/2均为原料的摩尔含量。以总质量400.000g粉料为例，称取Na2CO3、Bi2O3、TiO2和Co2O3的质量分别为7.586g、300.167g、91.050g和1.197g。（上面所示计量式在压电陶瓷行业中通用）。原料混合后放入球磨罐中进行球磨，球磨介质为无水乙醇和玛瑙球，玛瑙球、原料、无水乙醇的重量比为1.0：0.7：0.5，球磨时间为8h，球磨机频率为33.5Hz；再将混合料放本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：/n（1）、配料/n将原料Na

【技术特征摘要】
1.一种钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
（1）、配料
将原料Na2CO3、Bi2O3、TiO2和Co2O3，按以下计量式：
Na0.5Bi4.5Ti4-xCoxO15-x/2进行混合，式中，摩尔含量x=0～0.075，混合后的原料放入球磨罐中球磨，球磨介质为无水乙醇和玛瑙球，玛瑙球、原料、无水乙醇的重量比为1.0：(0.4～0.8)：0.5，球磨时间为8h，球磨机频率为33.5Hz，再将混合料放入烘箱内烘干，然后放入研钵内研磨，过40目筛构成混合原料；
（2）、合成
将步骤（1）中过筛后的混合原料，放入坩埚内，压实，加盖，密封，在合成炉中于750℃～850℃合成，保温2h～4h，自然冷却到室温，出炉；
（3）、二次球磨
将步骤（2）的合成料放入球磨罐中二次球磨粉碎，球磨时间为8h，球磨机频率为33.5Hz，再将球磨后的料放入烘箱内烘干，然后放入研钵内研磨、过40目筛构成合成粉料；
（4）、压片
将步骤（3）过筛后的合成粉料的三分之二加入PVA水溶液后放入研钵中充分研磨进行造粒，用电动压片机压成柱状，再将其捣碎，研磨过筛，然后采用干压和等静压相结合的方式压制成型为片坯件，使用等静压机压制成型的压强为300MPa；
（5）、排胶
将步骤（4）的片坯件放入马弗炉中，以2℃/min～5℃/min的速率升温至650℃～750℃后，保温20min～40min，随炉自然冷却至室温；
（6）、烧结
将步骤（5）排胶后的片坯件放进坩埚中并加...

【专利技术属性】
技术研发人员：张飞洋，闫锋，张楠，杨声帅，赵斌，娄岳，李宝珠，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十六研究所，
类型：发明
国别省市：天津;12