[发明专利]铋层状结构压电陶瓷及其制备方法以及提高铋层状结构压电陶瓷高温电阻率的方法

说明书

技术领域

本发明属于压电陶瓷材料的制备领域，涉及一种在高温下电阻率较高的铋层状结构压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷材料是实现机-电能量转换和耦合的一类极其重要的功能材料，在航空航天、电子信息、能源、先进制造、医疗系统和武器装备等领域有广泛的应用。近年来，我国在航空航天、能源、医疗和空间技术等领域发展十分迅速，对其中关键功能部件提出了越来越苛刻的要求。在一些重要领域应用的压电器件如声波测井仪、超声电机、高温压电振动传感器等的一个共同特点就是工作环境温度高，这就要求压电陶瓷材料在高温下能稳定、可靠的工作。

压电陶瓷材料是高温振动传感器的核心元件。铋层状结构压电陶瓷材料由于居里温度较高(650～970℃)、介电损耗较低以及电阻率较高，是目前482℃高温压电振动传感器用高温压电陶瓷材料的唯一技术方案。但由于其电阻率随温度升高急剧下降，漏电流增大，直接导致相关压电器件失效，严重制约了铋层状结构压电陶瓷材料在高温环境下的实际应用，也是我国482℃高温压电振动传感器的研制尚未取得突破的瓶颈之一。

目前，本领域通常采用离子掺杂优化组成设计以及织构化工艺调控微结构等手段来提高铋层状结构压电陶瓷材料的高温电阻率。如通过W⁶⁺施主掺杂取代可将铋层状结构Bi₃TiNbO₉和Na_0.5Bi_2.5Nb₂O₉压电陶瓷的电阻率提高2～3个数量级(J.Appl.Phys.,100,2006:044112；Appl.Phys.Lett.,104,2014:012904)；通过织构化热锻烧结工艺调控微结构后，可使Bi₃TiNbO₉压电陶瓷在平行热锻轴方向的电阻率比垂直方向高出1～2个数量级。但是，由于压电陶瓷材料的性能往往是相互制约、相互影响的。离子掺杂取代可提高压电陶瓷材料的电阻率，但同时也会降低材料的居里温度甚至压电系数(评价压电陶瓷材料性能的另外两个重要参数)；而织构化工艺如热压、热锻、快速等离子体烧结等手段，工艺较为复杂、重复性较差。因此，如何在保持铋层状结构压电陶瓷材料高居里温度的同时，协同提高其高温电阻率，是高温压电陶瓷应用领域的研究重点和关键难题。

发明内容

本发明旨在克服现有铋层状结构压电陶瓷材料在高温条件下的性能缺陷，本发明提供了一种铋层状结构压电陶瓷及其制备方法。

一种具有高温下高电阻率的铋层状结构压电陶瓷，其中，所述铋层状结构压电陶瓷包括主相和作为第二相的具有高绝缘电阻的氧化物粉体颗粒，其中，主相包括Na_0.5Bi_2.5Nb₂O₉、Bi₃TiNbO₉、CaBi₂Nb₂O₉和/或Bi₄Ti₃O₁₂，第二相与主相的重量比≤10％，优选在1～5％之间。

较佳地，具有高绝缘电阻的氧化物粉体颗粒为Al₂O₃粉体颗粒。

较佳地，所述第二相形成于主相的晶界处，不进入主相的晶格中。

本发明还提供了一种上述铋层状结构压电陶瓷的制备方法，包括：

1)按所述铋层状结构压电陶瓷主相组成，分别称取相应氧化物原料，经均匀混合后，在650～900℃下合成，获得主相物质为组成的压电陶瓷粉体；

2)按所述铋层状结构压电陶瓷第二相组成，称取相应氧化物原料，将以主相物质为组成的压电陶瓷粉体、以及所述第二相氧化物粉体，均匀混合后作为原料粉体；

3)将原料粉体进行成型处理，形成所述铋层状结构压电陶瓷的坯体；

4)将坯体在1000～1200℃下烧结得到所述铋层状结构压电陶瓷。

本发明还提供一种提高铋层状结构压电陶瓷的高温下的电阻率的方法，其中所述方法包括采用具有高绝缘电阻的氧化物粉体颗粒填充铋层状结构压电陶瓷片状颗粒堆积形成的空隙或者气孔，所述氧化物粉体颗粒与铋层状结构压电陶瓷片状颗粒的重量比≤10％。