一种修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷及其制备方法。所述修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷的化学组成为0.365BiScO3‑

【技术实现步骤摘要】
一种修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷及其制备方法


[0001]本专利技术属于压电陶瓷领域，具体涉及一种修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷及其制备方法。

技术介绍

[0002]压电陶瓷能够将电能和机械能相互耦合，是众多元器件中的关键功能材料之一，广泛应用于电子通讯、医疗设备、航空航天等领域。压电材料分为压电单晶、压电陶瓷、压电高分子以及压电复合材料，其中压电陶瓷因低廉的成本、优异的压电性能、丰富的组分可调性及简单的制备工艺，占据大部分的市场份额，拥有非常广阔的前景。
[0003]随着工业和科学技术的发展，在石油勘探、航空航天、汽车等领域都需要高温恶劣环境中工作的高精度驱动器、探测换能器等压电器件，故而使用温度在300℃以下的锆钛酸铅陶瓷已经不能满足高温使用要求。居里温度高于锆钛酸铅约100℃的BiScO3‑
PbTiO3(BS
‑
PT)高温压电陶瓷成为最具有竞争力、使用温度在200
‑
400℃的压电材料。
[0004]本领域主要通过制备工艺、单元素掺杂、固溶新元等手段来降低材料成本和调控BS
‑
PT高温压电陶瓷的性能。利用两步烧结法制备的纳米级BS
‑
PT陶瓷，压电系数提高到520pC/N(J.Am.Ceram.Soc.2008；91:121
‑
126.)，但是工艺的重复性差，成本较高；利用Nb(JAm Ceram Soc,2007；90:477
‑
482.)、Fe(Appl Phys Lett,2005；87:242901.)、Co(Appl Phys Lett2008；92:142905.)等取代Sc，居里温度保持为400℃以上，压电系数却降至180～300pC/N；在BiScO3‑
PbTiO3中固溶Pb(In
1/3
Nb
2/3
)O3(Acta Mater 2019；181:238
‑
248)、Bi(Mn
1/2
Zr
1/2
)O3(JEur Ceram Soc,2020；40:3003
‑
3010.)、PbZrO3(Ceram Int.2018；44:6817
‑
6822.)的压电系数大于300pC/N，居里温度降至130～317℃；中国专利CN103936412A公开的BiScO3‑
xPbTiO3‑
0.05Pb(Sn
1/3
Nb
2/3
)O3压电陶瓷，同时具有较高的居里温度(400～420℃)和压电系数(370～560pC/N)，但剩余极化强度为30～42μC/cm2(Adv.Funct.Mater.2019；29:1807920)。
[0005]一般认为，压电系数受到本征因素(晶体结构变化)和非本征因素(铁电畴运动，畴壁移动等)的影响，剩余极化强度主要受到晶格畸变产生的相变及氧空位引起的空间电荷变化等的影响，而居里温度受到容忍因子、相结构、位错等的影响。这些影响因素之间的相互制衡及相互作用导致了在相同组分的陶瓷中三者难以同时达到最大值。然而，压电陶瓷在实际服役过程中会受到温度、电场、力场等多场耦合的综合作用，只仅单一方面的性能优势是远远不够的。因此，寻求综合性能优异的高温压电陶瓷是亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]针对现有压电陶瓷的居里温度和综合电学性能无法同时满足特定指标的情况，本专利技术提供一种具有高压电系数、高居里温度、高剩余极化强度、高退极化温度的修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷及其制备方法。
[0007]第一方面，本专利技术提供一种修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷。所述修饰改性的
钛酸铅基高温压电陶瓷的化学组成为0.365BiScO3‑
0.635Bi
x
Pb1‑
3x/2
Ti
0.99
Zn
0.01
O3(BS
‑
BPZT)，x表示Bi的摩尔百分比，0≤x≤0.03。所述钛酸铅基高温压电陶瓷以偏三方相且处在准同型相界(MPB)附近的BS
‑
PT陶瓷为基体，采用A、B位共掺的策略增强性能可调性：具有铁电活性且能增强陶瓷四方相的Zn取代钙钛矿结构中的氧八面体中的B位的钛，高价且提高三方相的Bi取代钛酸铅中的A位Pb，从而获得三方和四方共存的准同型相界，提高压电、铁电和介电性能。另外，还采用调控Bi含量来调控微结构，在有效提高钛酸铅基钙钛矿结构压电陶瓷压电性的同时，协同优化其铁电性，为铅基钙钛矿结构压电陶瓷在高温压电传感器中的应用提供了新思路。
[0008]其中，将x控制在0.03以下，通过仅调整Bi的取代量即可实现可控调整陶瓷的结构和性能，以满足高温压电传感器对陶瓷材料的要求(高压电系数、高居里温度和较优的铁电性)。若x的取值大于0.03，则陶瓷的相结构完全偏离了MPB，使得材料的性能(例如压电系数)大幅度下降，这与本专利技术提高陶瓷性能的目的背道而驰。
[0009]相较于三元固溶体体系，本专利技术利用二元组成设计能够更加准确地控制原子的替换和取代，仅通过双离子取代来构筑准同型相界，就能获得具有高居里温度、高压电系数、高剩余极化强度及高退极化温度的高温压电陶瓷。
[0010]较佳地，所述修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷的室温压电系数为300～550pC/N，居里温度为300～500℃，应变为0.2～0.4％，剩余极化强度为40～50μC/cm2，退极化温度350
‑
450℃。
[0011]第二方面，本专利技术提供上述任一项所述的修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷的制备方法。所述制备方法包括：根据修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷的化学组成，以Bi2O3、Sc2O3、PbO、TiO2和ZnO为原料，按照相应的化学计量比称量上述原料后混料，在600～900℃保温合成2～4小时，获得陶瓷粉体；以及将所述陶瓷粉体在1100～1200℃保温烧结1～3小时得到所述修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷。该制备方法采用固相反应制备出A、B位共掺杂的钛酸铅基钙钛矿结构压电陶瓷。
[0012]较佳地，所述陶瓷粉体的粒径为1～2μm。
[0013]较佳地，所述混料方式为湿法球磨混合，其中，原料：球磨介质：水的质量比＝1：(1.2～1.8)：(0.5～0.9)，混合时间为2～6小时。一些技术方案中，所述球磨介质为玛瑙球。
[0014]较佳地，所述制备方法还包括：在烧结之前向陶瓷粉体中加入粘结剂造粒，压制成型并排塑得到陶瓷坯体，随后对所述陶瓷坯体进行烧结；优选地，粘结剂的加入量为陶瓷粉体的4～8wt.％；更优选地，所述粘结剂为聚乙烯醇。
[0015]较佳地，所述排塑条件为以不高于2℃/min的升温速率升温至600～800℃并保温3小时以下。
[0016]较佳地，所述制备方法还包括：对所述修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷进行印银、烘干和烧银处理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷，其特征在于，所述修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷的化学组成为0.365BiScO3‑
0.635Bi
x
Pb1‑
3x/2
Ti
0.99
Zn
0.01
O3，x表示Bi的摩尔百分比，0≤x ≤ 0.03；优选地，0＜x ≤ 0.03。2.根据权利要求1所述的钛酸铅基高温压电陶瓷，其特征在于，所述修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷的室温压电系数为300~550 pC/N，居里温度为300~500 ℃，应变为0.2~0.4%，剩余极化强度为40~50 μC/cm2，退极化温度350
‑
450 ℃。3.根据权利要求1或2所述的修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：根据修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷的化学组成，以Bi2O3、Sc2O3、PbO、TiO2和ZnO为原料，按照相应的化学计量比称量上述原料后混料，在600~900 ℃保温合成2~4小时，获得陶瓷粉体；以及将所述陶瓷粉体在1100~1200 ℃保温烧结1~3小时得到所述修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粉体的粒径为1~2 μ...

【专利技术属性】
技术研发人员：董显林，董亚珠，周志勇，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：