[发明专利]压电陶瓷及其制备方法、压电陶瓷元件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种压电陶瓷及其制备方法、压电陶瓷元件及其制备方法，所述压电陶瓷的主成分的化学通式为：(Na_0.5Bi_0.5)_1‑a‑b+c(Li_0.35K_0.15Ho_0.5)_a(Li_0.35K_0.15Er_0.5)_bBi₄Ti_4‑x‑yV_xMo_yO₁₅，其中，0.05≤a≤0.20，0.05≤b≤0.20，0≤c≤0.05，0≤x≤0.05，0≤y≤0.05。制备方法包括：(1)按主成分通式中的金属元素的化学计量比，分别称取相应的金属氧化物或金属盐，混合后，经预球磨、烘干、预烧结，得到预烧结的压电陶瓷粉体；(2)将预烧结的压电陶瓷粉体进行球磨、烘干，再加入粘合剂，成型、排塑、烧结，得到压电陶瓷。由该压电陶瓷制备的压电陶瓷元件具有高居里温度、高压电常数、以及优异的压电性能高温稳定性等优点。

技术领域

本发明属于压电陶瓷及其制备技术领域，涉及一种在高温环境下具有高稳定的压电陶瓷及其制备方法、压电陶瓷元件及其制备方法。

背景技术

所有的机械设备的运转都不免发生振动，而振动的强弱，频率等信息则直接反馈了设备工作的状态。因此，对振动信号的测量，几乎涉及到了每一个工程领域。在众多的振动信号测量传感器中，压电加速度计因其结构简单，无需外加电源，无机械转动部件，使用寿命长，占据了振动测量的大部分市场。特别地，对于一些航空航天、船舶制造、石化能源领域，例如航空涡扇发动机、舰船蒸汽轮机、燃气轮机、石化反应塔、火力发电机组等设备的监测中都离不开高温压电加速度计。其中，在350～450℃范围内使用量最多。但是，作为装备制造业生产大国，我国目前尚无能力提供在此温度区间范围内性能优良、使用稳定的中高温压电振动传感器。即使全球范围内，能够大批量、商业化提供这类高温传感器的公司也屈指可数，如美国的Endevco、丹麦B&K等。该类传感器由于技术垄断性，价格十分昂贵，我国每年不得不花大量资金从国外进口这类传感器，用于相关设备的运转监测，而这些公司经常对我国进行禁运和技术保密。我国大量的企业仅能生产工作温度上限为250℃的压电传感器产品，其工作介质以石英单晶为主，由于石英单晶的压电系数低，d₁₁～2.1pC/N，因而这类传感器的输出灵敏度较低，S～1.0pC/g。远低于美国Endevco公司的6233c-50产品，S～50pC/g。

高温压电陶瓷材料是制造这类传感器的核心敏感元件，陶瓷材料的性能直接决定了振动传感器器件的输出、稳定性与寿命。居里温度作为压电元件的最高使用温度，制约着陶瓷的可靠工作温度上限，通常认为，压电陶瓷的可靠工作温度上限为陶瓷材料居里温度的1/2～2/3。目前，我国压电陶瓷厂商能够生产的压电陶瓷以锆钛酸铅为主体的二元系、三元系材料为主。由于在准同型相界附近，未掺杂锆钛酸铅陶瓷材料的居里温度仅为380℃，而通过施主、受主离子掺杂后会进一步降低体系的居里温度，难以满足工作环境温度高于300℃及以上。目前，全球范围仅有丹麦的Ferroperm公司能够公开的、商业化的供应工作温度达到500℃的陶瓷产品(PZ46)。PZ46陶瓷的居里温度T_C～650℃，压电常数d₃₃～16pC/N。对高温环境下能稳定工作的压电陶瓷材料性能上有如下需求：(1)居里温度高，从器件稳定性考虑，材料体系的居里温度高于最高使用温度100℃以上；(2)高温下具有一定压电常数(d₃₃>15pC/N)；(3)在高温下具有较高的直流电阻率；(4)电学性能(介电常数、压电常数)随温度变化小，具有良好的温度稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有高居里温度、高压电常数、以及优异的压电性能高温稳定性的压电陶瓷，还相应提供其制备方法，另外，还相应提供一种上述的压电陶瓷成型的压电陶瓷元件及其制备方法。