一种镧系元素与制造技术

本发明专利技术公开了一种镧系元素与

【技术实现步骤摘要】
一种镧系元素与Ga、W共掺杂型CaBi4Ti4O
15
高温压电陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及压电陶瓷材料
，尤其涉及一种铋层状结构钛酸铋钙高温压电陶瓷材料及其制备方法
。

技术介绍

[0002]目前，应用最广的压电陶瓷材料主要是钙钛矿结构的
PZT
基压电陶瓷，但是这类压电陶瓷的居里温度一般在
400℃
以下，由于压电材料退极化现象的存在，压电材料在居里温度以上无法正常工作
。
随着航空航天
、
地质勘探等工作的飞速发展和顺应人类社会可持续发展的需求，因此有必要寻求一种居里温度高
、
压电性能优异的环境友好型压电材料
。
[0003]铋层状结构陶瓷具有居里温度高
、
耐疲劳性能好等优点，是适用在高温环境下的候选材料
。
铋层状结构陶瓷材料是由
(Bi2O2)
2+
层和钙钛矿结构晶格层相互交替叠加而成，其化学通式为
(Bi2O2)
2+
(A
m
‑1B
m
O
3m+1
)2‑
，其中，
CaBi4Ti4O
15
(CBT)
是一种典型的铋层状结构铁电材料，
A
为
12
配位的
Ca
2+
和
Bi
3+
，
B/>为6配位的
Ti
4+
，
m
＝4，该材料具有高居里温度
(T
C
≈790℃)、
高压电电压系数
、
低电导率等优点，但其压电活性低
、
谐振频率温度系数较大，这些因素都制约着它在高温领域的应用
。
因此，如何在不降低居里温度的同时，提升压电活性，获得综合电性能优良的
CBT
压电陶瓷材料，成为了高温压电陶瓷材料领域研究的一个重要课题
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种镧系元素与
Ga、W
共掺杂型
CaBi4Ti4O
15
高温压电陶瓷材料，针对
CaBi4Ti4O
15
陶瓷材料
A
位的
Ca
2+
离子，采用具有
12
配位的
+3
价镧系金属离子进行掺杂取代，针对
B
位的
Ti
4+
离子，采用复合高价离子
[Ga
1/3
W
2/3
]5+
进行掺杂取代，以便通过上述复合掺杂改性，在不降低居里温度的同时，提高其压电性能和高温电阻率，从而提供一种新型的
、
综合电性能优良的
、
环境友好型压电陶瓷材料
。
本专利技术的另一目的在于提供上述镧系元素与
Ga、W
共掺杂型
CaBi4Ti4O
15
高温压电陶瓷材料的制备方法
。
[0005]本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：
[0006]本专利技术提供的一种镧系元素与
Ga、W
共掺杂型
CaBi4Ti4O
15
高温压电陶瓷材料，以具有
12
配位的
+3
价镧系金属离子
M
掺杂取代
CaBi4Ti4O
15
中
A
位的
Ca
2+
离子，以复合高价离子
[Ga
1/3
W
2/3
]5+
掺杂取代
CaBi4Ti4O
15
中
B
位的
Ti
4+
离子，形成的化学通式为
Ca1‑
x
M
x
Bi4Ti4‑
y
[Ga
1/3
W
2/3
]y
O
15
，其中
0.04≤x≤0.07
，
0.04≤y≤0.06
，
M
为
La
3+
、Nd
3+
、
或
Sm
3+
离子
。
[0007]上述方案中，本专利技术所述压电陶瓷材料的
d
33
≥26pC/N
，
T
C
≥765℃
；
500℃
时电阻率
(
ρ
)≥2.5
×
107Ω
·
cm
，介电损耗
(tan
δ
)≤0.45
％；
600℃
退火后的
d
33
≥22pC/N。
[0008]本专利技术的另一目的通过以下技术方案予以实现：
[0009]本专利技术提供的上述镧系元素与
Ga、W
共掺杂型
CaBi4Ti4O
15
高温压电陶瓷材料的制
备方法，包括以下步骤：
[0010](1)
预合成前驱体粉料的制备
[0011]以
CaCO3、Bi2O3、TiO2、Ga2O3、WO3作为与所述化学通式中
Ca、Bi、Ti、Ga、W
对应的原料，以
La2O3、Nd2O3、
或
Sm2O3作为与所述化学通式中
M
对应的原料；将各原料按照化学通式中的化学计量进行配料，然后以无水乙醇为球磨介质进行一次球磨处理，得到的物料经烘干
、
过筛
、
压制成型后置于密封的坩埚内进行煅烧处理；然后将煅烧处理后的物料经研磨
、
过筛后，进行二次球磨处理，得到的物料经烘干
、
研磨
、
过筛，即制得预合成前驱体粉料；
[0012](2)
高温压电陶瓷材料的制备
[0013]将所述预合成前驱体粉料装入石墨模具中，置于放电等离子烧结炉内进行一次煅烧处理，得到含碳烧制品；然后将所述含碳烧制品置于普通高温炉内进行二次煅烧处理以进行脱碳，得到脱碳烧制品；最后将所述脱碳烧制品进行极化处理，即制得高温压电陶瓷材料
。
[0014]进一步地，本专利技术制备方法所述步骤
(1)
中各原料的纯度不低于
99.9
％
。
压制成型的压力为4～
6Mpa
；煅烧处理为以
5℃/min...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种镧系元素与
Ga、W
共掺杂型
CaBi4Ti4O
15
高温压电陶瓷材料，其特征在于：以具有
12
配位的
+3
价镧系金属离子
M
掺杂取代
CaBi4Ti4O
15
中
A
位的
Ca
2+
离子，以复合高价离子
[Ga
1/3
W
2/3
]
5+
掺杂取代
CaBi4Ti4O
15
中
B
位的
Ti
4+
离子，形成的化学通式为
Ca1‑
x
M
x
Bi4Ti4‑
y
[Ga
1/3
W
2/3
]
y
O
15
，其中
0.04≤x≤0.07
，
0.04≤y≤0.06
，
M
为
La
3+
、Nd
3+
、
或
Sm
3+
离子
。2.
根据权利要求1所述的镧系元素与
Ga、W
共掺杂型
CaBi4Ti4O
15
高温压电陶瓷材料，其特征在于：所述压电陶瓷材料的
d
33
≥26pC/N
，
T
C
≥765℃
；
500℃
时电阻率
(
ρ
)≥2.5
×
107Ω
·
cm
，介电损耗
(tan
δ
)≤0.45
％；
600℃
退火后的
d
33
≥22pC/N。3.
权利要求1或2所述镧系元素与
Ga、W
共掺杂型
CaBi4Ti4O
15
高温压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)
预合成前驱体粉料的制备以
CaCO3、Bi2O3、TiO2、Ga2O3、WO3作为与所述化学通式中
Ca、Bi、Ti、Ga、W
对应的原料，以
La2O3、Nd2O3、
或
Sm2O3作为与所述化学通式中
M
对应的原料；将各原料按照化学通式中的化学计量进行配料，然后以无水乙醇为球磨介质进行一次球磨处理，得到的物料经烘干
、
过筛
、
压制成型后置于密封的坩埚内进行煅烧处理；然后将煅烧处理后的物料经研磨
、
过筛后，进行二次球磨处理，得到的物料经烘干
、
研磨
、
过筛，即制得预合成前驱体粉料；
(2)
高温压电陶瓷材料的制备将所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈宗洋，王竹梅，骆雯琴，李月明，
申请(专利权)人：景德镇陶瓷大学，
类型：发明
国别省市：