铋层状复合结构压电陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铋层状复合结构压电陶瓷材料及其制备方法，所述材料的化学通式为：[Ca1-xMexBi2Nb2-2yMe’2yO9]1-z-[Bi3-aMea(TiNb)1-bMe’2bO9]z；其中，Me和Me’分别为适合不同晶格位置的掺杂元素，Me为Li、Mn、Ce中的一种或多种，Me’为Ta、W中的一种或多种；x、y、z、a、b分别为摩尔分数，0≤x≤0.05，0≤y≤0.05，0≤a≤0.05，0≤b≤0.05，0.2≤z≤0.8。该压电陶瓷材料具有很高的居里温度、优良的压电性能和可调的综合电性能，可用于各种高温压电器件。

【技术实现步骤摘要】
铋层状复合结构压电陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及材料
，尤其涉及一种铋层状复合结构压电陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
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。该材料在外电场作用下会产生应变，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。压电陶瓷被广泛的用于滤波器、换能器、传感器等领域。压电陶瓷一般是铁电体，在居里温度附近压电性会消失。近年来航空航天汽车工业等对其使用的各种压电器件在高温环境下工作性能需求不断提高，具有高居里温度的压电陶瓷需求日趋迫切。然而，传统的锆钛酸铅(PZT)的居里温度约为300℃到370℃左右。因为温度升高引起退极化而导致的压电性不稳定问题，其工作温度上限一般是在其Tc的1/2处，因而PZT的使用温度一般远低于180℃。铋层状结构压电陶瓷是一类重要的具有超高居里温度(550℃-950℃)的压电陶瓷，但其压电性能较差，而矫顽电场高，电阻率低，难于制备结构均匀瓷体等问题也导致其不容易被极化。另外，与常规陶瓷类似，该类陶瓷通常用固相反应法制备，相关工艺较繁琐，样品的均一稳定性难于控制，且综合电性能难于调控。因此如何制备具有超高居里温度和较好压电性能的含铋层压电陶瓷及改善其工艺，是该领域研究的重要内容，对相关器件的开发也具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种铋层状复合结构压电陶瓷材料及其制备方法。该压电陶瓷材料具有很高的居里温度、优良的压电性能和可调的综合电性能，可用于各种高温压电器件。第一方面，本专利技术实施例提供了一种铋层状复合结构压电陶瓷材料，化学通式为：[Ca1-xMexBi2Nb2-2yMe’2yO9]1-z-[Bi3-aMea(TiNb)1-bMe’2bO9]z；其中，Me和Me’分别为适合不同晶格位置的掺杂元素，Me为Li、Mn、Ce中的一种或多种，Me’为Ta、W中的一种或多种；x、y、z、a、b分别为摩尔分数，0≤x≤0.05，0≤y≤0.05，0≤a≤0.05，0≤b≤0.05，0.2≤z≤0.8。第二方面，本专利技术实施例提供了一种如上述第一方面所述的压电陶瓷材料的制备方法，所述制备方法包括：将碳酸钙、氧化钛、氧化铋、五氧化二铌、碳酸锂、碳酸锰，和掺杂元素Me和/或Me’的氧化物或盐，按照化学计量比Ca1-xMexBi2Nb2-2yMe’2yO9(简称为CBN)和Bi3-aMea(TiNb)1-bMe’2bO9(简称为BTN)，分别进行称量配料，得到用于制备CBN的第一种原始粉料和用于制备BTN的第二种原始粉料；其中，Me和Me’分别为适合不同晶格位置的掺杂元素，Me为Li、Mn、Ce中的一种或多种，Me’为Ta、W中的一种或多种；x、y、z、a、b分别为摩尔分数，0≤x≤0.05，0≤y≤0.05，0≤a≤0.05，0≤b≤0.05，0.2≤z≤0.8；将所述第一种原始粉料和所述第二种原始粉料分别以水或乙醇为介质进行球磨，得到第一浆料和第二浆料，并将所述第一浆料和第二浆料分别烘干、研磨并过筛，得到第一原始粉料和第二原始粉料；将第一原始粉料置于坩埚中煅烧，得到具有铋层状结构的CBN粉体；将第二原始粉料置于坩埚中煅烧，得到具有铋层状结构的BTN粉体；将所述CBN粉体和所述BTN粉体按所需比例称量配料混合后，加入浓度为1wt％～6wt％的聚乙烯醇PVA溶液，在研钵中研磨均匀后，造粒并过筛得到混合粉料(简称CBTN)；将所述CBTN压制成陶瓷坯体；将所述陶瓷坯体置于坩埚中加热进行排胶后，烧结制得压电陶瓷体；将所述压电陶瓷体打磨、抛光、涂覆金属电极后，在硅油中加热并施加极化电压进行极化，降温后即得到所述压电陶瓷材料。优选的，所述煅烧的温度为600℃～900℃，时间为1.5～5小时。优选的，所述过筛具体为：使用150～200目的筛子进行过筛。优选的，用于压制CBTN形成陶瓷坯体的压力为50MPa～150MPa。优选的，所述烧结的温度为950℃～1150℃，时间为2～6小时。优选的，所述极化的温度为150℃～200℃，极化的电场强度为5kV/mm～15kV/mm，极化的时间为10～30分钟。本专利技术的原理是基于两种粉体CBN和BTN分别煅烧合成时可得到高纯度的单相物，之后混合后再烧结中，因两种体系的晶体结构相近，晶粒生长不受混合影响，从而可得到致密化的陶瓷体。与现有材料体系和制备技术相比，本专利技术具有众多优点。本专利技术所制备的复合含铋层压电陶瓷具有致密均匀的微观结构，高的相纯度和结晶性，很高的居里温度(Tc达900℃以上)，较高的压电常数(d33达18pC/N)，可调的介电性能(εr＝100～500)等，可用于各种需要工作温度大于600℃的传感器等相关压电器件；另外，该复合含铋层陶瓷体系的制备工艺具有制备过程简便，易于控制复合体系组份，便于大规模产业化生产，成本低廉、产物纯度高等优点。本专利技术提供的方法及所制备高温压电陶瓷材料具有较好的应用前景。附图说明下面通过附图和实施例，对本专利技术实施例的技术方案做进一步详细描述。图1为本专利技术实施例2提供的铋层状复合结构压电陶瓷材料的制备方法流程图；图2为本专利技术实施例3提供的压电陶瓷材料[Ca0.95Li0.025Mn0.025Bi2Nb2O9]0.7-[Bi2.95Li0.02Mn0.03TiNbO9]0.3的压电常数在不同温度退火后室温压电常数的变化曲线；图3为本专利技术实施例3提供的压电陶瓷材料[Ca0.95Li0.025Mn0.025Bi2Nb2O9]0.7-[Bi2.95Li0.02Mn0.03TiNbO9]0.3的扫描电镜照片。具体实施方式下面结合实施例，对本专利技术进行进一步的详细说明，但并不意于限制本专利技术的保护范围。实施例1本专利技术实施例1提供了一种铋层状复合结构压电陶瓷材料，其化学通式为：[Ca1-xMexBi2Nb2-2yMe’2yO9]1-z-[Bi3-aMea(TiNb)1-bMe’2bO9]z；其中，Me和Me’分别为适合不同晶格位置的掺杂元素，Me为Li、Mn、Ce中的一种或多种，Me’为Ta、W中的一种或多种；x、y、z、a、b分别为摩尔分数，0≤x≤0.05，0≤y≤0.05，0≤a≤0.05，0≤b≤0.05，0.2≤z≤0.8。本专利技术实施例提供的铋层状复合结构压电陶瓷材料，具有很高的居里温度、优良的压电性能和可调的综合电性能，可用于各种高温压电器件。实施例2本实施例提供了上述实施例1中铋层状结构压电陶瓷材料的制备方法，如图1所示，包括：步骤201，将碳酸钙、氧化钛、氧化铋、五氧化二铌、碳酸锂、碳酸锰，和掺杂元素Me和/或Me’的氧化物或盐，按照化学计量比Ca1-xMexBi2Nb2-2yMe’2yO9(简称为CBN)和Bi3-aMea(TiNb)1-bMe’2bO9(简称为BTN)，分别进行称量配料，得到用于制备CBN的第一种原始粉料和用于制备BTN的第二种原始粉料；其中，Me和Me’分别为适合不同晶格位置的掺杂元素，Me为Li、Mn、Ce中的一种或多种，Me’为Ta、W中的一种或多种；x、y、z、a、b分别为摩尔分数，0≤x≤0.05，0≤y≤0.05，0≤a≤0.05，0≤b≤0.05，0.2≤z≤0.8。步骤202，将所述第一种原始粉料和所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铋层状复合结构压电陶瓷材料，其特征在于，所述压电陶瓷材料的化学通式为：[Ca1‑xMexBi2Nb2‑2yMe’2yO9]1‑z‑[Bi3‑aMea(TiNb)1‑bMe’2bO9]z；其中，Me和Me’分别为适合不同晶格位置的掺杂元素，Me为Li、Mn、Ce中的一种或多种，Me’为Ta、W中的一种或多种；x、y、z、a、b分别为摩尔分数，0≤x≤0.05，0≤y≤0.05，0≤a≤0.05，0≤b≤0.05，0.2≤z≤0.8。

【技术特征摘要】
1.一种铋层状复合结构压电陶瓷材料，其特征在于，所述压电陶瓷材料的化学通式为：[Ca1-xMexBi2Nb2-2yMe’2yO9]1-z-[Bi3-aMea(TiNb)1-bMe’2bO9]z；其中，Me和Me’分别为适合不同晶格位置的掺杂元素，Me为Li、Mn、Ce中的一种或多种，Me’为Ta、W中的一种或多种；x、y、z、a、b分别为摩尔分数，0＜x≤0.05，0＜y≤0.05，0＜a≤0.05，0＜b≤0.05，0.2≤z≤0.8。2.一种如上述权利要求1所述的压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将碳酸钙、氧化钛、氧化铋、五氧化二铌、碳酸锂、碳酸锰，和掺杂元素Me的氧化物和Me’的氧化物或盐，按照化学计量比Ca1-xMexBi2Nb2-2yMe’2yO9(简称为CBN)和Bi3-aMea(TiNb)1-bMe’2bO9(简称为BTN)，分别进行称量配料，得到用于制备CBN的第一种原始粉料和用于制备BTN的第二种原始粉料；其中，Me和Me’分别为适合不同晶格位置的掺杂元素，Me为Li、Mn、Ce中的一种或多种，Me’为Ta、W中的一种或多种；x、y、z、a、b分别为摩尔分数，0＜x≤0.05，0＜y≤0.05，0＜a≤0.05，0＜b≤0.05，0.2≤z≤0.8；将所述第一种原始粉料和所述第二种原始粉料分别以水或乙醇为介质进行球磨，得到第一浆料和第二浆料...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭栋，蔡锴，邓平晔，张翠红，江凤，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11