[发明专利]氧化物改性铌钡酸铅高温压电陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及到用于高温和大功率压电器件或电致伸缩器件。

背景技术

高温压电陶瓷材料被广泛用于航天、核能、汽车、石化、冶金、发电、地质勘探等众多科研与工业部门。近十年来，随着科学技术的迅猛发展，许多电子设备对所选的压电器件要求越来越高，适用范围和使用环境要求压电材料具有更大的适应性。但是性能优良、使用温度高于400℃的高温压电陶瓷材料非常少。长期以来，压电单晶材料(材料导报，1998，12卷，2期，31～33)由于具有优良的压电性能和高的温度稳定性，已经成为高温压电材料的重要组成部分。但是压电单晶材料工艺复杂、成本太高。人们希望找到工艺简单，成本低且压电性能可与之相符的高温压电陶瓷材料。偏铌酸铅(PbNb₂O₆)是第一个被发现的非钙钛矿型结构的氧化物铁电体，PbNb₂O₆压电陶瓷有许多突出的特点如低的品质因素、单一的振动模式和高的居里温度(570℃)等，在工业检测，医疗诊断与高温传感器方面有着十分广阔的应用背景。PbNb₂O₆在室温下有两种相：一种是具有斜方结构的铁电相，居里温度570℃，高于居里温度转变为四方顺电相；另一种是三方非铁电相，在1200℃时转变为四方相。关于铁电相的存在，历来也是众说纷纭，Jaffe(Piezoeletric Ceramics.NewYork：Academic Press，1971，115-182)等人认为，偏铌酸铅陶瓷样品只要煅烧温度足够高并且进行适当的急冷，其铁电相就能稳定存在。Sekiya(Mater.Res.Bull.，1989，24：63-69)等人认为，通过快速淬火只能得到偏铌酸铅的非铁电相。Li(J.Am.Ceram.Soc.，1991，74：42-45)等人则认为通过固相反应合成偏铌酸铅粉末，通过熔盐技术稳定正交铁电相。到目前为止，Jaffe的观点更为人们所认可，要想在室温下获得铁电相，在烧结时需采用快速冷却(甚至淬火)或添加稳定剂。由于上面的原因，PbNb₂O₆压电陶瓷材料和元器件的制备变得十分困难，况且铁电相在常温下是很不稳定的，因而大大限制了这种材料的工程应用。多年来虽然在材料的组成上做了许多工作，从置换与掺杂的角度出发对材料改性，取得了很好的效果，但批量生产很难实现，而且性能差异极大，极化成品率低，以致不能使用，对应用造成很大的困难，由于偏铌酸铅相变引起的体积变化、热膨胀系数的各向异性、导致试样极易开裂，使得偏铌酸铅很难烧结成致密陶瓷。

针对这些问题，为PbNb₂O₆压电陶瓷寻找适合大批量生产优良产品的工艺技术已迫切需要。目前已有采用改性的方法主要是用Ba²⁺、Ca²⁺离子置换和添加稀土氧化物(例如CeO₂、Sm₂O₃、TeO₂)进行复合，制备出高温压电陶瓷已满足应用要求(ZL93112369.0)。但是由于所加入的是稀土元素，进行工业生产造价太高，制备工艺的重复性不好；另外在预烧和烧结过程为了能得到室温下的正交铁电相都需要急冷，冷却速度＞100℃/分，冷却到室温，这样很容易引起试样开裂，使后续的极化成品率降低，很难在一般的工业条件下大规模生产。因此降低产品的生产成本和找到适合大批量生产的工艺技术是PbNb₂O₆压电陶瓷当前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服上述陶瓷材料的缺点，提供一种居里温度高、压电性能好、在预烧和烧结过程中不需要淬火和急冷，随炉自然冷却就可得到室温下为铁电相的氧化物改性铌钡酸铅高温压电陶瓷。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种工艺简单、稳定、易于工业化生产的氧化物改性铌钡酸铅高温压电陶瓷的制备方法。