[发明专利]一种铋层状结构压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铋层状结构压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

近年来，我国在航空航天、电子信息、武器装备和能源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、压电式传感器等的共同特点是工作环境温度高，这就要求压电材料能在高温下稳定、可靠的工作。

压电陶瓷材料常作为压电式传感器的核心元件，铋层状结构压电陶瓷由于其拥有高的居里温度，可以在较高的温度下不会发生结构相变，同时能够在较宽的温度范围内使压电系数保持稳定，是目前高温压电式传感器用高温压电陶瓷材料的最佳技术方案。

铋层状结构压电陶瓷材料是Bengt Aurivillius于1949年在 Bi₂O₃-TiO₂体系中首次发现，其分子式为(Bi₂O₂)²⁺(A_m-1B_mO_3m+1)^2-，它是由铋氧层(Bi₂O₂)²⁺和类钙钛矿层(A_m-1B_mO_3m+1)^2-沿着c轴相互交错而成，其中：A代表具有12配位的一价、二价、三价离子或者它们的复合离子，如：La³⁺、Ba²⁺、Pb²⁺、K⁺、Ca²⁺和Sr²⁺等，B代表具有氧八面体配位的四价、五价、六价离子或者它们的复合离子，如：Ti⁴⁺、 Nb⁵⁺、Fe³⁺和W⁶⁺等，m和m-1分别为铋氧层之间夹杂的氧八面体及类钙钛矿层的数目。例如，铌酸铋基(M_0.5Bi_2.5Nb₂O₉,M是碱金属)是 m＝2的铋层状结构材料，其居里温度(居里点)超过780℃，压电常数可达到19pC/N。但与实际应用相比，其压电性能及居里温度均无法满足高温下使用的要求。因此，如何同时提高居里温度和压电性能以获得高温范围内稳定使用的铋层状结构压电陶瓷材料成为本领域研究的一个重要课题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的压电陶瓷材料无法在高温工作下同时拥有稳定的综合电学性能，本发明的目的在于提供一种具有高居里温度、高压电性能和高温稳定工作的铋层状结构压电陶瓷材料及其制备方法。

为达成上述目的，本发明的解决方案为：

一种铋层状结构压电陶瓷材料，该压电陶瓷材料以Bi₂O₃和 Nb₂O₅为主体，采用稀土组分和碱金属共同取代改性制成，其分子通式为：(MBi)_x(M'N)_yBi₂Nb₂O₉，分子通式中x的取值范围为0～0.5，y 的取值范围为0～0.5，M和M'均为碱金属Li、Na、K中的至少一种， N为稀土组分La、Ce中的至少一种。

所述铋层状结构压电陶瓷分子通式中所述组分Bi取自氧化铋 Bi₂O₃,所述组分Nb取自氧化铌Nb₂O₅，所述组分La取自氧化镧 La₂O₃，所述组分Ce取自氧化铈CeO₂，所述组分Li取自碳酸锂 Li₂CO₃，所述组分Na取自碳酸钠Na₂CO₃，所述组分K取自碳酸钾 K₂CO₃。

所述铋层状结构压电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步、按前述相应粉体原料的化学计量比进行配料，得到原始粉料，将原始粉料在无水乙醇溶液中预球磨后，烘干压成块状，进行预烧结，得到预烧结的粉料；

第二步、将所述预烧结的粉料进行二次球磨、烘干后，得到经过二次球磨的粉料；