[发明专利]一种面向高温环境应用的压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种面向高温环境应用的压电陶瓷材料及其制备方法，该陶瓷材料的化学配比式为：Ca_0.8‑δSr_δBi₂Nb_2‑x‑yTa_xW_yO₉+z wt％Li₂CO₃+w wt％Bi₂O₃+q wt％M；其中，M为金属氧化物，式中0≤δ≤0.2，0x≤1，0y≤0.5，0z2，0w10，0q≤5。本发明压电陶瓷材料兼具居里温度高、高温直流电阻率大、压电活性好、热稳定性好的优点。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种面向高温环境应用的压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷因其具有正、逆压电效应性质，可被制成换能器、感应器、探测器，已经广泛应用于现代工业及国防的各个领域。随着现代科学技术及现代工业的发展，一些领域如冶金、航空航天、石油化工等，要求压电陶瓷能够在高温的恶劣环境中依然能够稳定工作，这就要求压电陶瓷具有高的居里温度、良好的高温电阻率及良好的温度稳定性特点。传统的锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷虽然压电性能优良，但是其居里温度通常不超过380℃，因此难以在高温(T250℃)环境应用。含铋层状结构压电陶瓷因具备高Tc、低介电常数、机电耦合系数各向异性明显、低老化率、高电阻率、温度稳定性良好、生产成本低廉且易于改性优点,在高温压电领域有着广阔的应用前景。

铌酸铋钙CaBi₂Nb₂O₉(CBN)是一种典型的含铋层状结构压电材料，它是由类钙钛矿层(CaNb₂O₇)^2-和(Bi₂O₂)²⁺层有规律的交替排列而成，居里温度较高，可达到940℃左右。然而它的压电性能很低，压电常数d₃₃仅为5pC/N,压电常数d₃₃随温度升高衰减明显，且介电损耗随温度上升快速增加，因此，纯CBN陶瓷难以在高温环境应用。为了改善CBN的压电活性，人们采用制备工艺的改进或离子掺杂的方式来改善其压电性能。比如，利用流延成型工艺，采用模板晶粒生长法制备的具有织构结构的CBN陶瓷，压电常数d₃₃可提高(～17.8pC/N)。由于模板晶粒生长法制备的CBN陶瓷晶粒具有明显的取向生长，外加电场沿ab平面极化时可极大地使自发极化转向而获得高压电性。但与此同时，在ab平面内由于自发极化转向而产生的漏电流也较大，高温环境下这种情况更为严重。过大的漏电流会使得传感器得温度响应特性变差，不利于传感器稳定工作。虽然离子掺杂通常也能明显改善CBN陶瓷的压电性能(比如，Na⁺、Ce³⁺离子掺杂CBN陶瓷，d₃₃～16pC/N)，在一定程度上提高陶瓷的高温电阻率，比如，以K⁺、La³⁺离子掺杂CBN陶瓷，在600℃时，直流电阻率ρ～10⁵Ω·cm，但通常其压电性能的温度稳定性较差，且在高温下电阻率随温度变化通常呈现温度每升高50℃，电阻率值降低一个数量级的特征，温度越高，电阻率降低程度越高。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种面向高温环境应用的压电陶瓷材料及其制备方法。

一种面向高温环境应用的压电陶瓷材料，

该陶瓷材料的化学配比式为：Ca_0.8-δSr_δBi₂Nb_2-x-yTa_xW_yO₉+z wt％Li₂CO₃+w wt％Bi₂O₃+q wt％M；