【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于压电陶瓷，具体涉及一种高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料及其制备方法
技术介绍
1、压电材料作为一种重要的电子信息功能材料，因可以实现机械能和电能之间的相互转换并能快速响应，被广泛用于航空航天、信息通讯及油井探测等高
压电陶瓷和压电单晶是压电材料的重要组成部分，压电单晶因易于极化定向，使其在特定晶向上表现出最优压电性能，因而性能大大优于同成分压电陶瓷，但由于压电单晶生产成本高、制备周期长、成分不均匀、生长尺寸小等一系列的缺点限制了其广泛应用。普通压电陶瓷因制备工艺简单稳定、易加工等优势占据了整个压电陶瓷市场。
2、普通陶瓷通常由随机取向的晶粒和晶界相组成，其性能是沿各个晶向的统计平均值，因而表现为各向同性。然而随着科技发展的日新月异，人们对压电陶瓷性能的要求也越来越高，积极探索出制备高性能压电材料的新技术、新工艺变得迫在眉睫。调整陶瓷内部晶粒的取向，获得晶粒沿某个方向定向排列的织构陶瓷，使陶瓷材料表现出沿特定方向独特的优异性能，可以有效地拓展其应用领域。由此，一种制备方法简单且可以大幅度提高压电陶瓷性能的织构化制备工艺得到广泛关注，研究制备具有更高性能的织构压电陶瓷并探索出简易可行的制备工艺变得刻不容缓。当前，织构陶瓷的制备方法有热加工(施加应力场使晶粒转向)、磁场定向(施加磁场使晶粒转向)、模板晶粒生长(消耗基体晶粒使模板晶粒定向长大)等方法，其中尤以模板晶粒生长法最为成熟。
3、高温压电器件的极限工作温度取决于压电材料具有压电性的上限温度，灵敏度取决于陶瓷的压电性能，工作可靠性取
4、通常，tc≥400℃的压电材料被称之为高温压电材料。高温压电陶瓷按照晶体结构可以分为钙钛矿、钨青铜和铋层状体系。其中，钙钛矿结构压电陶瓷的压电活性高，但是居里温度低。比如，目前市面上商用pzt压电器件受pzt陶瓷居里温度低(≤370℃)、1/2tc温度以上退极化现象和电导的增大等局限，长时间稳定工作温度被限制在150℃左右。钨青铜和铋层状结构虽然具有较高的居里温度tc(>400℃)，然而压电性能较差(<100pc/n)。因此，现有压电陶瓷材料无法满足200℃以上高温应用要求，那么研制兼具高压电性能和低损耗的高温压电陶瓷材料成为制备高温压电器件的首要任务。
5、新型钪酸铋-钛酸铅(bisco3-pbtio3)高温压电陶瓷，相较于其他铅基压电陶瓷材料展现出高居里温度(tc～450℃)和高压电常数(d33～450pc/n)，是一种极具潜力且适合在高温环境下使用的陶瓷材料。
6、目前对于钪酸铋-钛酸铅基高温压电陶瓷性能提升的研究主要集中在以下几个方面：一是对bs-pt体系进行单元素掺杂，二是对sc元素进行取代，三是引入第三元结构因子，形成abo3-bs-pt三元体系，即改变组分进行固相反应来改善材料的性能。然而，由于晶粒及缺陷等原因，使用固相反应法制备的压电材料压电常数和居里温度往往呈负相关，使得材料的性能很难有较大提升。
7、因此，选择一种新的制备工艺手段即模板晶粒生长法在大幅度提升钪酸铋-钛酸铅基压电陶瓷压电性能的同时可以保持较高的居里温度的研究就显得至关重要。织构压电陶瓷(模板晶粒生长技术)与传统陶瓷(流延法)的制备方法类似，因此，从理论上讲，织构压电陶瓷是可以在获得与单晶类似压电性能的同时，实现低成本、高成分均匀性以及异性和共型制备。
技术实现思路
1、本专利技术主要是针对钪酸铋-钛酸铅基压电陶瓷材料，利用模板晶粒生长技术通过流延工艺获得具有高度取向高综合性能的织构陶瓷，所制备的陶瓷材料有望在驱动器、超声换能器以及水听器等器件中得到应用。
2、本专利技术涉及一种织构化压电陶瓷及其制备方法和用途，所述织构化压电陶瓷包括模板晶体材料和钪酸铋-钛酸铅基体材料，所述钪酸铋-钛酸铅基体材料定向生长在模板晶体材料上；所述织构化压电陶瓷保持了钪酸铋-钛酸铅基体材料本体较高的居里温度的特性，其居里温度≥400℃，且本专利技术所述织构化压电陶瓷具有极高的织构度，其织构度≥99％，使得织构化压电陶瓷的性能接近单晶性能，电致应变在40kv/cm时可达0.36，是随机取向陶瓷的2倍之大；本专利技术所述的织构化压电陶瓷的压电应变常数最高可达923pm/v，使得该材料在压电传感器、压电电机和高精度位移方面具有广阔的前景。
3、本专利技术采用如下技术方案：
4、一种高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料，化学通式为(1-x)bisco3-xpbtio3-ymol％a-awt.％b，其中a为施主掺杂元素nb，sb，w中的一种或其中两种，b为cuo、li2co3、zno、bi2o3、pbo和b2o3中的一种或其中两种，0.54≤x≤0.64，0≤y≤1；0≤a≤4。
5、该材料由沿[001]c择优取向的晶粒所组成，择优取向度在99％以上。
6、该材料的居里温度≥400℃，d33可高达630pc/n；且其织构度≥99％。
7、该材料电致应变在40kv/cm时可达0.32，是随机取向陶瓷的2倍之大；压电应变常数最高可达923pm/v。
8、一种高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料的制备方法，制备过程以无水乙醇为介质，在转速为200r/min～400r/min的条件下，按照(1-x)bisco3-xpbtio3-ymol％a-awt.％b的化学通式进行球磨18h～24h，其中a为施主掺杂元素nb，sb，w中的一种或其中两种，b为cuo、li2co3、zno、bi2o3、pbo和b2o3中的一种或其中两种，0.54≤x≤0.64，0≤y≤1；0≤a≤4，然后烘干，得到混合原料，采用固相反应法在温度为750℃～850℃的条件下，对混合原料预烧2h～5h，得到陶瓷粉体。
9、所述的bi2o3粉体、sb2o3粉体、pbo粉体、tio2粉体的粒径均小于100nm，粉体纯度均高于99％。
10、该材料在流延法制备陶瓷生坯过程中叠压具体是在温度为60℃～90℃及压力为10mpa～45mpa的条件下，保温保压15min～120min。
11、排胶具体过程中以升温速率为0.1℃/min～0.8℃/min，将温度升温至500℃～650℃，并在温度为550℃～650℃的条件下，排胶0.5h～6h；冷等静压的时间为1min～6min。
12、该材料烧结是在铅和铋气氛中烧结，且陶瓷生坯表面必须盖满步骤一b制备的母体粉体。
13、步骤三中所述的极化具体为在极化温度为90℃～150℃和电压为10kv/cm～50kv/cm的条件下，极化10min～60min。
14、采用模板晶粒定向生长技术制备沿[001]高度取向的钪酸铋-钛酸铅基压电织构陶瓷材料：
15、1、制备钪酸铋-钛酸铅基体粉体：
16、(1)配料
17本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料，其特征在于，化学通式为(1-x)BiScO3-xPbTiO3-ymol％A-awt.％B，其中A为施主掺杂元素Nb，Sb，W中的一种或其中两种，B为CuO、Li2CO3、ZnO、Bi2O3、PbO和B2O3中的一种或其中两种，0.54≤x≤0.64，0≤y≤1；0≤a≤4。
2.根据权利要求1所述的高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料，其特征在于，该材料由沿[001]c择优取向的晶粒所组成，择优取向度在99％以上。
3.根据权利要求1所述的高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料，其特征在于，该材料的居里温度≥400℃，d33可高达630pC/N；且其织构度≥99％。
4.根据权利要求1所述的高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料，其特征在于，该材料电致应变在40kV/cm时可达0.32，是随机取向陶瓷的2倍之大；压电应变常数最高可达923pm/V。
5.采用如权利要求1所述的一种高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料的制备方法，其特征在于，制备过程以无水乙醇为介质，在转速为200r/min～400r/m
6.根据权利要求5所述的高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述的Bi2O3粉体、Sb2O3粉体、PbO粉体、TiO2粉体的粒径均小于100nm，粉体纯度均高于99％。
7.根据权利要求5所述的高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料的制备方法，其特征在于，该材料在流延法制备陶瓷生坯过程中叠压具体是在温度为60℃～90℃及压力为10MPa～45MPa的条件下，保温保压15min～120min。
8.根据权利要求5所述的高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料的制备方法，其特征在于，排胶具体过程中以升温速率为0.1℃/min～0.8℃/min，将温度升温至500℃～650℃，并在温度为550℃～650℃的条件下，排胶0.5h～6h；冷等静压的时间为1min～6min。
9.根据权利要求5所述的高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料的制备方法，其特征在于，该材料烧结是在铅和铋气氛中烧结，且陶瓷生坯表面必须盖满步骤一b制备的母体粉体。
10.根据权利要求5所述的高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料的制备方法，其特征在于,步骤三中所述的极化具体为在极化温度为90℃～150℃和电压为10kV/cm～50kV/cm的条件下，极化10min～60min。
...【技术特征摘要】
1.一种高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料，其特征在于，化学通式为(1-x)bisco3-xpbtio3-ymol％a-awt.％b，其中a为施主掺杂元素nb，sb，w中的一种或其中两种，b为cuo、li2co3、zno、bi2o3、pbo和b2o3中的一种或其中两种，0.54≤x≤0.64，0≤y≤1；0≤a≤4。
2.根据权利要求1所述的高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料，其特征在于，该材料由沿[001]c择优取向的晶粒所组成，择优取向度在99％以上。
3.根据权利要求1所述的高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料，其特征在于，该材料的居里温度≥400℃，d33可高达630pc/n；且其织构度≥99％。
4.根据权利要求1所述的高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料，其特征在于，该材料电致应变在40kv/cm时可达0.32，是随机取向陶瓷的2倍之大；压电应变常数最高可达923pm/v。
5.采用如权利要求1所述的一种高织构度的铅基高温压电织构陶瓷材料的制备方法，其特征在于，制备过程以无水乙醇为介质，在转速为200r/min～400r/min的条件下，按照(1-x)bisco3-xpbtio3-ymol％a-awt.％b的化学通式进行球磨18h～24h，其中a为施主掺杂元素nb，sb，w中的一种或其中两种，b为cuo、li2co3、zno、bi2o3、pbo和b2o3中的一种或其中两种，0.54≤x≤0....
【专利技术属性】
技术研发人员：严永科，任晓丹，刘欣，唐明阳，王奕轲，徐卓，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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