一种铌酸铋钙基铋层状结构铁电压电陶瓷及其制备方法技术

技术编号：41216276 阅读：2 留言：0更新日期：2024-05-09 23:38

本发明专利技术提供了一种铌酸铋钙基铋层状结构铁电压电陶瓷及其制备方法，属于压电陶瓷材料技术领域。该铁电压电陶瓷材料的化学通式为：Ca<subgt;(1‑x‑y‑z)</subgt;(Li<subgt;0.5</subgt;Bi<subgt;0.4</subgt;Ce<subgt;0.1</subgt;)<subgt;x</subgt;Sr<subgt;y</subgt;Ba<subgt;z</subgt;Bi<subgt;2</subgt;Nb<subgt;2</subgt;O<subgt;9</subgt;，其中，0≤x≤0.4，0≤y≤0.2，0≤z≤0.2。本发明专利技术的铌酸铋钙铋层状结构压电陶瓷材料仅采用不同尺寸的离子同时进行A位掺杂，且采用传统固相法，掺杂方式简单有效，制备成本低，且可批量生产。该铌酸铋钙铋层状结构压电陶瓷材料在高温环境下(＞500℃)拥有优异且稳定的综合电学性能：当x＝0.2、y＝0.1、z＝0.1时，样品的d33＝23.8pC/N，在900℃退火2h后d33＝22.5pC/N，仍是室温下的94.5％，具有较高的压电性及温度稳定性；在600℃时的体电阻率＝2.4×106Ω·cm；居里温度仍保持较高温度，Tc＝917℃，其优异且稳定的电学性能在高温压电器件领域具有实际应用价值。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于压电陶瓷材料，具体涉及一种铌酸铋钙基铋层状结构铁电压电陶瓷及其制备方法。

技术介绍

1、压电陶瓷是一种能够将电能和机械能相互转化的功能性陶瓷材料。在外电场作用下该材料会产生应变，而在机械力作用下材料内部的正负电荷中心发生相对位移，从而在材料的两极产生相反电荷。

2、如今，各种压电器件的应用范围不断扩广，应用环境也逐渐向高温环境延伸，比如航空发动机、燃气轮机、地热能开发、地质勘探、核能反应堆等对高温压电器件的需求量不断增加，则随之而来的就是对性能优异的高温压电材料的迫切需求。

3、在各类压电材料中，综合考虑可使用温度范围、电学性能、生产成本以及制备工艺等，使用改性后的铋层状结构铁电压电材料(bismuth layer-structuredferroelectrics，blsfs)来制备高温压电器件是较佳选择，因此研制出性能优异的blsfs材料对制备高性能的高温压电器件至关重要。

4、blsfs的特殊性质均是由其晶体结构所决定的，这些化合物的通式为(bi2o2)2+(am-1bmo3m+1)2-，是由类钙钛矿层和(bi2o2)2+层沿着c轴交替叠加形成的，其中a、b位分别是12配位和6配位的半径和价态合适的离子，m为类钙钛矿层中氧八面体的层数，取1到6之间的整数。对于blsfs，a位离子掺杂比b位离子掺杂的改性效果更加明显，这是由于b位离子尺寸较小且处于钙钛矿层八面体的体心，而a位离子尺寸较大，a位掺杂会较大程度的影响材料的晶体结构，从而对材料的居里温度和电学性能影响较大。

<p>5、cabi2nb2o9(cbn)压电陶瓷的tc约为941℃，是blsfs中居里温度最高的一类材料，在高温(>500℃)压电材料领域具有重要的应用前景，但目前掺杂改性cbn的综合电性能仍较差，主要体现在：1)压电性较差，d33≤20pc/n；2)压电温度稳定性差，压电性随温度升高大程度衰减；3)高温电阻率较低，r＝105ω·cm(@500℃)。这些不足极大限制了其在高温领域的实际应用。

6、专利文献cn 116102345 a公开了一种铋层状压电陶瓷材料，其通式为：ca0.86(lice)0.07bi4ti3.99zn0.01o15+x wt％bi2o3+y wt％li2co3，x值为0.05～0.4；y值为0.002～0.005。然而该压电陶瓷材料的压电性较差，d33＝19pc/n，另外其居里温度较低，tc＝810℃。

7、专利文献cn 104529447 b公开了一种铋层状复合结构压电陶瓷材料，其通式为：[ca1-xmexbi2nb2-2yme’2yo9]1-z-[bi3-amea(tinb)1-bme’2bo9]z；0＜x≤0.05，0＜y≤0.05，0＜a≤0.05，0＜b≤0.05，0.2≤z≤0.8，然而该铋层状压电陶瓷材料的压电性能为：d33＝19pc/n、tc＝810℃，其压电性和居里温度均较低。

8、因此，亟待提供一种压电性能优异、压电温度稳定性高、高温电阻率高且居里温度高的铋层状结构压电陶瓷材料。

技术实现思路

1、本专利技术就是为了解决上述技术问题，从而提供一种铌酸铋钙基铋层状结构铁电压电陶瓷及其制备方法。本专利技术的技术目的在于，解决现有的铋层状结构压电陶瓷存在的压电性能差、压电温度稳定性差、高温电阻率低且居里温度低的问题。

2、为了实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：

3、本专利技术首先提供了一种铌酸铋钙基铋层状结构铁电压电陶瓷材料，所述铁电压电陶瓷材料的化学通式为：ca(1-x-y-z)(li0.5bi0.4ce0.1)xsrybazbi2nb2o9，其中，0≤x≤0.4，0≤y≤0.2，0≤z≤0.2。

4、本专利技术利用不同尺寸的(li0.5bi0.4ce0.1)2+、sr2+、ba2+对cbn压电陶瓷a位ca2+同时进行同价取代(离子尺寸大小为：r(li0.5bi0.4ce0.1)2+<rca2+<rsr2+<rba2+)，引起晶体结构的畸变，极大改善cbn基压电陶瓷的电学性能，从而克服现有压电陶瓷材料在高温环境下压电性差、压电性能的温度稳定性差、电阻率低等技术问题。本专利技术得到了高温环境下拥有稳定的综合电学性能的cbn基铋层状结构压电陶瓷材料。

5、进一步的是，所述铁电压电陶瓷材料包括ca0.6sr0.2ba0.2bi2nb2o9，ca0.6(li0.5bi0.4ce0.1)0.1sr0.15ba0.15bi2nb2o9 ，ca0.6(li0.5bi0.4ce0.1)0.2sr0.1ba0.1bi2nb2o9 ，ca0.6(li0.5bi0.4ce0.1)0.3sr0.05ba0.05bi2nb2o9 或ca0.6(li0.5bi0.4ce0.1)0.4bi2nb2o9。

6、进一步的是，所述铁电压电陶瓷材料的居里温度为908～931℃、压电常数为17.5～23.8pc/n、相对介电常数为100～115、介电损耗为0.1％。

7、本专利技术的目的之二是提供如上所述的铌酸铋钙基铋层状结构铁电压电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)配料：按照通式中的化学计量比计算并称取相应原料，所述原料包括碳酸钙、氧化铋、五氧化二铌、碳酸锂、氧化铈、碳酸锶和碳酸钡；

9、(2)混料球磨：将所称取的原料放入球磨罐中，与球磨介质和无水乙醇混合球磨，得到一次球磨料；

10、(3)预烧：将所述一次球磨料烘干后研磨过筛，进行预烧，得到预烧粉料；

11、(4)二次球磨：将所述预烧粉料放入球磨罐中，与球磨介质和无水乙醇混合球磨，得到二次球磨料；

12、(5)造粒压片：将所述二次球磨料烘干后研磨过筛，加入粘结剂进行研磨造粒，得造粒粉体，将所述造粒粉体压制成型；

13、(6)排胶：将压制成型的陶瓷片进行排胶处理，得陶瓷坯体；

14、(7)烧结：将所述陶瓷坯体进行烧结，得到烧结陶瓷片；

15、(8)上电极：将所述烧结陶瓷片两面抛光后上电极；

16、(9)极化：将上电极后的陶瓷片施加电压进行极化，得到所述铌酸铋钙基铋层状结构铁电压电陶瓷材料。

17、进一步的是，步骤(2)和步骤(4)中所述球磨介质为氧化锆球，控制氧化锆球、总原料和无水乙醇的重量比为3：1：1。

18、进一步的是，步骤(2)中球磨时间为10-16小时，步骤(4)中球磨时间为18-24小时。

19、进一步的是，步骤(3)中所述预烧的温度为850～900℃，预烧时间为2-5小时。

20、进一步的是，步骤(5)中所述粘合剂为聚乙烯醇，将聚乙烯醇配制成质量浓度为8％的溶液，聚乙烯醇溶液的质量为原料总质量的8～10％。

21、优选的，过筛的目数为60目；压制成型的压力为10mpa，压制厚度为0.5mm，压片直径为10mm。

22、进一本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种铌酸铋钙基铋层状结构铁电压电陶瓷材料，其特征在于，所述铁电压电陶瓷材料的化学通式为：Ca(1-x-y-z)(Li0.5Bi0.4Ce0.1)xSryBazBi2Nb2O9，其中，0≤x≤0.4，0≤y≤0.2，0≤z≤0.2。

2.根据权利要求1所述的铌酸铋钙基铋层状结构铁电压电陶瓷材料，其特征在于，所述铁电压电陶瓷材料包括Ca0.6Sr0.2Ba0.2Bi2Nb2O9，Ca0.6(Li0.5Bi0.4Ce0.1)0.1Sr0.15Ba0.15Bi2Nb2O9，Ca0.6(Li0.5Bi0.4Ce0.1)0.2Sr0.1Ba0.1Bi2Nb2O9，Ca0.6(Li0.5Bi0.4Ce0.1)0.3Sr0.05Ba0.05Bi2Nb2O9或Ca0.6(Li0.5Bi0.4Ce0.1)0.4Bi2Nb2O9。

3.根据权利要求1或2所述的铌酸铋钙基铋层状结构铁电压电陶瓷材料，其特征在于，所述铁电压电陶瓷材料的居里温度为908～931℃、压电常数为17.5～23.8pC/N、相对介电常数为100～115、介电损耗为0.1％。

4.如权利要求1

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(4)中所述球磨介质为氧化锆球，控制氧化锆球、原料和无水乙醇的重量比为3：1：1；优选的，步骤(2)中球磨时间为10-16小时，步骤(4)中球磨时间为18-24小时。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述预烧的温度为850～900℃，预烧时间为2-5小时。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述粘合剂为聚乙烯醇，将聚乙烯醇配制成质量浓度为8％的溶液，聚乙烯醇溶液的质量为原料总质量的8～10％；优选的，过筛的目数为60目；压制成型的压力为10MPa，压制厚度为0.5mm，压片直径为10mm。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述排胶处理的条件为：升温速率为1℃/min，升温至650～750℃，保温时间为3～4小时。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(7)中所述烧结的工艺为：首先以10℃/min的速率升温至1000℃，然后以3℃/min的速率升温至1100-1200℃，进行保温2-4h。

10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(8)中所述上电极的操作为：在两面抛光的烧结陶瓷片上印刷银电极或铂电极，控制烧银条件为650℃下保温10-15分钟，控制烧铂条件为1000℃下保温15-20分钟；优选的，步骤(9)中，极化时加入硅油并控制硅油温度为180～200℃，极化电场为8-15kV/mm，保压时间为15-30分钟。

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【技术特征摘要】

1.一种铌酸铋钙基铋层状结构铁电压电陶瓷材料，其特征在于，所述铁电压电陶瓷材料的化学通式为：ca(1-x-y-z)(li0.5bi0.4ce0.1)xsrybazbi2nb2o9，其中，0≤x≤0.4，0≤y≤0.2，0≤z≤0.2。

2.根据权利要求1所述的铌酸铋钙基铋层状结构铁电压电陶瓷材料，其特征在于，所述铁电压电陶瓷材料包括ca0.6sr0.2ba0.2bi2nb2o9，ca0.6(li0.5bi0.4ce0.1)0.1sr0.15ba0.15bi2nb2o9，ca0.6(li0.5bi0.4ce0.1)0.2sr0.1ba0.1bi2nb2o9，ca0.6(li0.5bi0.4ce0.1)0.3sr0.05ba0.05bi2nb2o9或ca0.6(li0.5bi0.4ce0.1)0.4bi2nb2o9。

3.根据权利要求1或2所述的铌酸铋钙基铋层状结构铁电压电陶瓷材料，其特征在于，所述铁电压电陶瓷材料的居里温度为908～931℃、压电常数为17.5～23.8pc/n、相对介电常数为100～115、介电损耗为0.1％。

4.如权利要求1-3任一项所述的铌酸铋钙基铋层状结构铁电压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(4)中所述球磨介质为氧化锆球，控制氧化锆球、原料和无水乙醇的重量...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴杰，王丹，
申请(专利权)人：成都超纯应用材料有限责任公司，
类型：发明
国别省市：

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