[发明专利]一种钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的制备方法

说明书

本发明公开了一种钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的制备方法，其化学计量式为Na_0.5Bi_4.5Ti_4‑xCo_xO_15‑x/2，采用传统的固相反应法，通过原料配方与工艺的调整和改进，调节B位掺杂离子的含量来改善电学性能，最佳烧结温度为1080℃，x=0.050时，其压电常数d₃₃=33pC/N，482℃时高温电阻率ρ_V=5.87×10⁷Ω·cm，居里温度Tc=673℃，介电损耗tanδ=0.35%，用其组装的高温加速度传感器在400℃下灵敏度仍能保持在9.54pC/g。工艺简单，能够有效降低成本，适合大规模工业化生产。

技术领域

本发明涉及压电陶瓷的制备，尤其涉及一种钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的制备方法。

背景技术

压电陶瓷可以实现机械能和电能之间的转换，是一种重要的电子功能陶瓷材料，广泛应用于电、光、声、热等领域的一些能量转换、滤波、存储等器件中。近年来，随着压电陶瓷应用范围的进一步拓展，在一些极端环境下对压电陶瓷的服役性能提出了新的挑战。例如高温加速度传感器等必须采用具有较高居里温度的压电陶瓷，这样才能保证压电器件可在较宽温度范围内正常工作。

在众多压电陶瓷材料中，Na_0.5Bi_4.5Ti₄O₁₅铋层状压电陶瓷是一种重要的无铅环保材料，具有高居里温度（650℃）、低损耗、良好的抗疲劳性等特点，具有广阔的市场应用前景。但是，由于铋层状材料独特的层状晶体结构将自发极化限制在a-b二维平面内，导致材料的矫顽场强高，难以极化，压电活性低，大大限制了其实际的应用。有效解决这一问题的方法之一是对BNT压电陶瓷进行掺杂改性。研究表明，B位掺杂可以明显提高BNT压电陶瓷的铁电和压电性能，且对于居里温度的影响较小。虽然目前有研究者使用Ta或者Ta、Nb等单一或复合掺杂的方式取代BNT的B位离子，但是压电常数均在30pC/N以下，使得实际使用时加速度传感器灵敏度偏低。也有研究者使用模板晶粒生长法等方式使陶瓷晶粒定向排列，以此提高BNT压电陶瓷的压电性能，但是这些方式会降低压电陶瓷的高温电阻率，降低传感器高温使用时的稳定性、可靠性，同时这些方式也不适用于大规模工业化生产。

发明内容

本发明的目的是在不降低居里温度的前提下提高钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的压电常数和高温电阻率，通过调整掺杂离子含量和改变制备工艺等方面提高电学性能，提供一种能具有较好的电学性能、较高电阻率和较高居里温度的钛酸铋钠体系的钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的制备方法,其主要应用于工作温度为482℃的高温加速度传感器器件，提高传感器的灵敏度和高温使用时的稳定性、可靠性。

本发明采取的技术方案是：一种钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的制备方法，制备步骤如下：

（1）、配料

将原料Na₂CO₃、Bi₂O₃、TiO₂和Co₂O₃，按以下计量式：

Na_0.5Bi_4.5Ti_4-xCo_xO_15-x/2进行混合，式中，摩尔含量x=0～0.075，混合后的原料放入球磨罐中球磨，球磨介质为无水乙醇和玛瑙球，玛瑙球、原料、无水乙醇的重量比为1.0：(0.4～0.8)：0.5，球磨时间为8h，球磨机频率为33.5Hz，再将混合料放入烘箱内烘干，然后放入研钵内研磨，过40目筛构成混合原料；

（2）、合成

将步骤（1）中过筛后的混合原料，放入坩埚内，压实，加盖，密封，在合成炉中于750℃～850℃合成，保温2h～4h，自然冷却到室温，出炉；

（3）、二次球磨