一种BS-PT基高温压电陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种BS

【技术实现步骤摘要】
一种BS
‑
PT基高温压电陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种BS
‑
PT基高温压电陶瓷材料及其制备方法，具体涉及一种高压电系数和高应变的BiScO3‑
PbTiO3基高温压电陶瓷材料及其制备方法，属于高温压电陶瓷领域。

技术介绍

[0002]压电材料具有进行机电转换的功能，被广泛应用于石油勘探、医疗设备、航空航天等领域。压电材料被分为压电单晶、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，占据市场的大部分场额，应用前景非常广阔。
[0003]随着社会和科学技术的发展，在深部石油勘探等领域都需要高温恶劣环境中服役的高精度驱动器、高温换能器等压电器件，因此使用温度在300℃以下的Pb(Zr,Ti)O3陶瓷已经不能满足该应用要求。因此居里温度(T
C
)高于Pb(Zr,Ti)O3陶瓷约100℃的BiScO3‑
PbTiO3(BS
‑
PT)高温压电陶瓷成为使用温度在200～400℃的重要候选压电材料。
[0004]本领域主要通过工艺改进、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(J Am 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(J Eur 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℃。例如郝俊杰,王晓慧,陈先中,等(高居里点BiScO3‑
PbTiO3压电陶瓷介电压电性能研究[J].稀有金属材料与工程,2011,40(4):3.)公开了0.64BS
‑
PT陶瓷的性能：T
C
在420℃附近，d
33
约430pC/N，铁电性P
r
约28μC/cm2，且从电滞回线来看，该陶瓷在2.5kV/mm时就已经出现了很大漏电流(主要表现在最大极化强度出现了圆滑的特征)，说明耐压性急剧下降，很难加到5kV/mm的电压。
[0005]在陶瓷的实际应用过程中，会受到本征因素(晶体畸变、缺陷等)和非本征因素(畴翻转，畴壁移动等)的影响，而这些因素之间的相互竞争及相互作用使得陶瓷无法同时表达出多种优异的宏观性能。然而在实际工作环境中，压电陶瓷会受到温度、电场、力场等多场耦合的作用，仅仅依赖单一性能的优势是远远无法满足需求。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压电系数、应变值及温度稳定性等综合性能无法同时满足特定领域需求指标的情况，本专利技术提供一种具有高压电系数、高剩余极化强度、高应变值、高退极化温度、高损耗稳定性的修饰改性的BS
‑
PT基高温压电陶瓷材料及其制备方法。
[0007]一方面，本专利技术提供了一种BS
‑
PT基高温压电陶瓷材料，所述BS
‑
PT基高温压电陶瓷的化学组成为(1
‑
y)BiScO3‑
yPb1‑
x
□
x
Ti1‑
z
Hf
z
O3；其中，x表示Pb空位的摩尔百分比，x＝0～0.020；y＝0.60～0.65；z＝0～0.03；其中x和z不同时为0。
[0008]在本专利技术中，BS
‑
PT基高温压电陶瓷材料，是以在准同型相界(MPB)附近的BS
‑
PT陶瓷为基体，采用A位缺量协同B位掺杂的思路增强陶瓷宏观性能：本专利技术以BS
‑
PT基陶瓷为基础，利用物相平衡原理，在化学计量比的基础上通过A位Pb缺位和B位掺杂设计了(1
‑
y)BiScO3‑
yPb1‑
x
□
x
Ti1‑
z
Hf
z
O3体系。利用缺陷偶极子和自发极化之间的耦合及竞争效应来调控铁电畴的翻转及畴壁的移动，从而获得具有高电学性能特征的BS
‑
PT基高温压电陶瓷。从晶体学来讲，A位的缺陷会导致晶胞中的晶格参数的降低，从而降低陶瓷的晶体对称性，可利用这一特性构筑准同型相界。从动力学来讲，空位的移动速率较低，意味着缺陷偶极子的方向趋于稳定的状态，说明其能耐受更高的温度和电场，从而能提高陶瓷的温度稳定性。从热力学来讲，缺陷偶极子的存在可以降低陶瓷的吉布斯自由能，特别是在MPB附近的自由能，平坦的自由能在电场的作用下更容易导致畴的翻转。另，HfO2是具有高介电常数和宽禁带宽度的材料，用Hf
4+
取代钙钛矿结构中的氧八面体中的B位的钛离子，既促进烧结，也进一步控制缺陷偶极的运动状态。故而，利用晶体学，热力学和动力学等的交互作用，获得具有高铁电、压电性能及高温度稳定性的BS
‑
PT基压电陶瓷体系。本专利技术中利用的多种思路融合策略也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。
[0009]其中，将x和y分别控制在0.015和0.02以下，通过协同调控A位Pb缺量和B位Hf取代的含量，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、高居里温度和优异的铁电性)。若x(空位的含量)的取值过大，会导致钙钛矿结构的对称性遭到严重破坏，陶瓷的性能亦会大幅度下降，与本专利技术的目的背道而驰。若y(Hf的取代含量)的取值过大，陶瓷仍保持着四方相结构，没有相界出现，而且性能会明显的下降。
[0010]相较于三元固溶体体系，本专利技术利用二元组成设计不仅减少了Pb的用量，而且能精确地控制原子的取代作用，通过B位离子取代和A位Pb缺量重新构筑准同型相界，获得了具有高压电性能、高应变、高剩余极化强度及高退极化温度的BS
‑
PT基高温压电陶瓷。
[0011]较佳的，x＝0.005～0.015；较佳的，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种BS
‑
PT基高温压电陶瓷材料，其特征在于，所述BS
‑
PT基高温压电陶瓷的化学组成为(1
‑
y)BiScO3‑
yPb1‑
x
□
x
Ti1‑
z
Hf
z
O3；其中，x表示Pb空位的摩尔百分比，x＝0～0.020；y＝0.60～0.65；z＝0～0.03；其中x和z不同时为0。2.根据权利要求1所述的BS
‑
PT基高温压电陶瓷材料，其特征在于，x＝0.005～0.015；y＝0.64；z＝0.02。3.根据权利要求1或2所述的BS
‑
PT基高温压电陶瓷材料，其特征在于，所述BS
‑
PT基高温压电陶瓷材料的室温压电系数为400～600pC/N；所述BS
‑
PT基高温压电陶瓷材料的居里温度为300～500℃；所述BS
‑
PT基高温压电陶瓷材料的应变为0.2～0.6％；所述BS
‑
PT基高温压电陶瓷材料的剩余极化强度为50～60μC/cm2；所述BS
‑
PT基高温压电陶瓷材料的退极化温度350～450℃。4.一种如权利要求1
‑
3中任一项所述的BS
‑
PT基高温压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括：(1)，以Bi2O3粉体、Sc2O3粉体、PbO粉体、TiO2粉体、和HfO2粉体为原料，按照BS
‑
PT基高温压电陶瓷材料的化学组成(1
‑
y)BiScO3‑
yPb1‑
x
□
x
Ti1‑
z
Hf
z
O3称量并混料，得到原料粉体；(2)将所得原料粉体在600～900℃预烧处理，得到陶瓷...

【专利技术属性】
技术研发人员：周志勇，董亚珠，
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：