【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压电陶瓷材料，尤其涉及一种掺杂型铋层状结构铌酸铋钙高温压电陶瓷材料的制备方法。
技术介绍
1、目前，应用最广的压电陶瓷材料主要是锆钛酸铅压电陶瓷，但这类压电陶瓷因为含铅，在生产、使用及废弃处理过程中对环境和人体造成危害，且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，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。
2、铋层状结构陶瓷具有居里温度高、介电损耗小、机电耦合系数各向异性明显、电阻率高、无污染、漏电流小、铁电性能优异等特性，是适用于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+(am-1bmo3m+1)2-，其中，cabi2nb2o9(cbn)是一种典型的铋层状结构铁电材料，a为12配位的ca2+，b为6配位的nb5+，m＝2，由萤石状结构(bi2o2)2+层和钙钛矿结构canb2o3层组成，该材料的居里温度(tc≈943℃)在铋层状结构陶瓷中是最高的，但压电常数很低(d33≈6pc/n)。因此，如何在保持高居里温度的同时，提升压电活性，获得综合电性能优良的cbn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
1、本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种k/sr/la/cu/sb/w掺杂
2、本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：
3、本专利技术提供的一种k/sr/la/cu/sb/w掺杂型cabi2nb2o9高温压电陶瓷材料，以具有12配位的k+、sr2+、la3+组成的复合高价离子[k0.15sr0.3la0.65]2.7+掺杂取代cabi2nb2o9中a位的ca2+离子，以具有6配位的cu2+、sb5+、w6+组成的复合高价离子[cu0.1sb0.25w0.65]5.35+掺杂取代cabi2nb2o9中b位的nb5+离子，形成的化学通式为ca1-x[k0.15sr0.3la0.65]xbi2nb2-y[cu0.1sb0.25w0.65]yo9，其中0.01≤x≤0.06，0.02≤y≤0.05。
4、上述方案中，本专利技术所述压电陶瓷材料的d33≥20.5pc/n，tc≥890℃；500℃时电阻率(ρ)≥2.0×108ω·cm，介电损耗(tanδ)≤0.30％；800℃退火后的d33≥17.0pc/n。
5、本专利技术的另一目的通过以下技术方案予以实现：
6、本专利技术提供的上述k/sr/la/cu/sb/w掺杂型cabi2nb2o9高温压电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
7、(1)预合成前驱体粉料的制备
8、以caco3、k2co3、srco3、la2o3、bi2o3、nb2o5、cuo、sb2o3、wo3作为与所述化学通式中ca、k、sr、la、bi、nb、cu、sb、w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；
9、(2)高温压电陶瓷材料的制备
10、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在空气气氛下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。
11、进一步地，本专利技术制备方法所述步骤(1)中压制成型的压力为4～6mpa；煅烧处理为以5℃/min升温至830～880℃，保温3～5h。
12、进一步地，本专利技术制备方法所述步骤(2)中一次煅烧处理为，放电等离子烧结炉压力为40～45mpa、直流脉冲电流为600～650a，先以100℃/min升温至900℃，再以20℃/min升温至950～1000℃，保温5～6min后，以50℃/min的降温速率降至600℃，停止直流脉冲电流，然后释放压力，随炉冷却至室温；所述二次煅烧处理为，以5℃/min升至700～750℃，保温4～4.5h，随炉冷却至室温。
13、上述方案中，本专利技术制备方法所述步骤(2)中极化处理为，先将所述脱碳烧制品的表面进行抛光处理；然后进行涂电极处理，即在抛光后脱碳烧制品的上下表面被上银电极；之后以5℃/min升至700～800℃进行煅烧，保温20～30min，随炉冷却至室温；最后在180～200℃的高温硅油中，加以10～15kv/mm的直流电压进行极化，极化时间为25～35min。
14、利用上述k/sr/la/cu/sb/w掺杂型cabi2nb2o9高温压电陶瓷材料的制备方法制得的产品。
15、本专利技术具有以下有益效果：
16、(1)在制备cabi2nb2o9压电陶瓷材料的过程中，在高温下由于铋的挥发，必然形成铋空位从而产生空位缺陷。针对此现象，本专利技术采用价态比a位ca2+离子高的复合高价离子[k0.15sr0.3la0.65]2.7+对其进行掺杂取代，提高材料的混合熵。同时，采用价态比b位nb5+离子高的复合离子[cu0.1sb0.25w0.65]5.35+对其进行掺杂取代，使a、b位均由于缺陷而使类钙钛矿层(am-1bmo3m+1)2-产生电子，从而增强了铋氧层(bi2o2)2+和类钙钛矿层(am-1bmo3m+1)2-之间的相互作用，进而调控晶粒的生长行为，使其局部产生极化纳米畴，最终获得了性能优异的cabi2nb2o9高温压电陶瓷材料。
17、(2)本专利技术采用先进的放电等离子烧结技术，该烧结技术所需烧结温度低、时间短，因而能耗低，且烧结后材料致密度高，可获得性能优异的cabi2nb2o9高温压电陶瓷材料。
18、(3)本专利技术ca位掺杂k、sr、la和nb位掺杂cu、sb、w型cabi2nb2o9压电陶瓷材料，居里温度在890℃以上，压电常数d33≥20.5pc/n，800℃退火后的d33≥17.0p本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种K/Sr/La/Cu/Sb/W掺杂型CaBi2Nb2O9高温压电陶瓷材料，其特征在于：以具有12配位的K+、Sr2+、La3+组成的复合高价离子[K0.15Sr0.3La0.65]2.7+掺杂取代CaBi2Nb2O9中A位的Ca2+离子，以具有6配位的Cu2+、Sb5+、W6+组成的复合高价离子[Cu0.1Sb0.25W0.65]5.35+掺杂取代CaBi2Nb2O9中B位的Nb5+离子，形成的化学通式为Ca1-x[K0.15Sr0.3La0.65]xBi2Nb2-y[Cu0.1Sb0.25W0.65]yO9，其中0.01≤x≤0.06，0.02≤y≤0.05。
2.根据权利要求1所述的K/Sr/La/Cu/Sb/W掺杂型CaBi2Nb2O9高温压电陶瓷材料，其特征在于：所述压电陶瓷材料的d33≥20.5pC/N，TC≥890℃；500℃时电阻率(ρ)≥2.0×108Ω·cm，介电损耗(tanδ)≤0.30％；800℃退火后的d33≥17.0pC/N。
3.权利要求1或2所述K/Sr/La/Cu/Sb/W掺杂型CaBi2Nb2O9高温压电陶瓷材料的
4.根据权利要求3所述的K/Sr/La/Cu/Sb/W掺杂型CaBi2Nb2O9高温压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中压制成型的压力为4～6Mpa；煅烧处理为以5℃/min升温至830～880℃，保温3～5h。
5.根据权利要求3所述的K/Sr/La/Cu/Sb/W掺杂型CaBi2Nb2O9高温压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中一次煅烧处理为，放电等离子烧结炉压力为40～45MPa、直流脉冲电流为600～650A，先以100℃/min升温至900℃，再以20℃/min升温至950～1000℃，保温5～6min后，以50℃/min的降温速率降至600℃，停止直流脉冲电流，然后释放压力，随炉冷却至室温；所述二次煅烧处理为，以5℃/min升至700～750℃，保温4～4.5h，随炉冷却至室温。
6.根据权利要求3所述的K/Sr/La/Cu/Sb/W掺杂型CaBi2Nb2O9高温压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中极化处理为，先将所述脱碳烧制品的表面进行抛光处理；然后进行涂电极处理，即在抛光后脱碳烧制品的上下表面被上银电极；之后以5℃/min升至700～800℃进行煅烧，保温20～30min，随炉冷却至室温；最后在180～200℃的高温硅油中，加以10～15kV/mm的直流电压进行极化，极化时间为25～35min。
7.利用权利要求3-6之一所述K/Sr/La/Cu/Sb/W掺杂型CaBi2Nb2O9高温压电陶瓷材料的制备方法制得的产品。
...【技术特征摘要】
1.一种k/sr/la/cu/sb/w掺杂型cabi2nb2o9高温压电陶瓷材料，其特征在于：以具有12配位的k+、sr2+、la3+组成的复合高价离子[k0.15sr0.3la0.65]2.7+掺杂取代cabi2nb2o9中a位的ca2+离子，以具有6配位的cu2+、sb5+、w6+组成的复合高价离子[cu0.1sb0.25w0.65]5.35+掺杂取代cabi2nb2o9中b位的nb5+离子，形成的化学通式为ca1-x[k0.15sr0.3la0.65]xbi2nb2-y[cu0.1sb0.25w0.65]yo9，其中0.01≤x≤0.06，0.02≤y≤0.05。
2.根据权利要求1所述的k/sr/la/cu/sb/w掺杂型cabi2nb2o9高温压电陶瓷材料，其特征在于：所述压电陶瓷材料的d33≥20.5pc/n，tc≥890℃；500℃时电阻率(ρ)≥2.0×108ω·cm，介电损耗(tanδ)≤0.30％；800℃退火后的d33≥17.0pc/n。
3.权利要求1或2所述k/sr/la/cu/sb/w掺杂型cabi2nb2o9高温压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的k/sr/la/cu/sb/w掺杂型cabi2nb2o9高温压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中压制成型的压...
【专利技术属性】
技术研发人员：沈宗洋，张智鹏，王竹梅，曾涛，骆雯琴，
申请(专利权)人：景德镇陶瓷大学，
类型：发明
国别省市：
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