[发明专利]一种修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开一种修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷及其制备方法。所述修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷的化学组成为0.365BiScO₃‑0.635Bi_xPb_1‑3x/2Ti_0.99Zn_0.01O₃，x表示Bi的摩尔百分比，0≤x≤0.03；优选地，0＜x≤0.03。通过仅调整Bi的取代量即可实现可控调整陶瓷的结构和性能，以满足高温压电传感器对陶瓷材料高压电系数、高居里温度和较优的铁电性的要求。

技术领域

本发明属于压电陶瓷领域，具体涉及一种修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷能够将电能和机械能相互耦合，是众多元器件中的关键功能材料之一，广泛应用于电子通讯、医疗设备、航空航天等领域。压电材料分为压电单晶、压电陶瓷、压电高分子以及压电复合材料，其中压电陶瓷因低廉的成本、优异的压电性能、丰富的组分可调性及简单的制备工艺，占据大部分的市场份额，拥有非常广阔的前景。

随着工业和科学技术的发展，在石油勘探、航空航天、汽车等领域都需要高温恶劣环境中工作的高精度驱动器、探测换能器等压电器件，故而使用温度在300℃以下的锆钛酸铅陶瓷已经不能满足高温使用要求。居里温度高于锆钛酸铅约100℃的BiScO₃-PbTiO₃(BS-PT)高温压电陶瓷成为最具有竞争力、使用温度在200-400℃的压电材料。

本领域主要通过制备工艺、单元素掺杂、固溶新元等手段来降低材料成本和调控BS-PT高温压电陶瓷的性能。利用两步烧结法制备的纳米级BS-PT陶瓷，压电系数提高到520pC/N(J.Am.Ceram.Soc.2008；91:121-126.)，但是工艺的重复性差，成本较高；利用Nb(JAm Ceram Soc,2007；90:477-482.)、Fe(Appl Phys Lett,2005；87:242901.)、Co(ApplPhys Lett2008；92:142905.)等取代Sc，居里温度保持为400℃以上，压电系数却降至180～300pC/N；在BiScO₃-PbTiO₃中固溶Pb(In_1/3Nb_2/3)O₃(Acta Mater 2019；181:238-248)、Bi(Mn_1/2Zr_1/2)O₃(JEur Ceram Soc,2020；40:3003-3010.)、PbZrO₃(Ceram Int.2018；44:6817-6822.)的压电系数大于300pC/N，居里温度降至130～317℃；中国专利CN103936412A公开的BiScO₃-xPbTiO₃-0.05Pb(Sn_1/3Nb_2/3)O₃压电陶瓷，同时具有较高的居里温度(400～420℃)和压电系数(370～560pC/N)，但剩余极化强度为30～42μC/cm²(Adv.Funct.Mater.2019；29:1807920)。

一般认为，压电系数受到本征因素(晶体结构变化)和非本征因素(铁电畴运动，畴壁移动等)的影响，剩余极化强度主要受到晶格畸变产生的相变及氧空位引起的空间电荷变化等的影响，而居里温度受到容忍因子、相结构、位错等的影响。这些影响因素之间的相互制衡及相互作用导致了在相同组分的陶瓷中三者难以同时达到最大值。然而，压电陶瓷在实际服役过程中会受到温度、电场、力场等多场耦合的综合作用，只仅单一方面的性能优势是远远不够的。因此，寻求综合性能优异的高温压电陶瓷是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有压电陶瓷的居里温度和综合电学性能无法同时满足特定指标的情况，本发明提供一种具有高压电系数、高居里温度、高剩余极化强度、高退极化温度的修饰改性的钛酸铅基高温压电陶瓷及其制备方法。