[发明专利]一种高居里温度高稳定性偏铌酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高居里温度高稳定性偏铌酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法，偏铌酸铅基压电陶瓷，用通式Pb_{(1+δ‑x‑y)}Ba_xCa_y[Nb_(1‑z)Mn_z]₂0₆表示材料组成，式中x、y、z表示组成元素的摩尔数，δ表示A位Pb过量的摩尔数，其中，0≤x≤0.1,0≤y≤0.1,0≤x+y≤0.1,0≤z≤0.1,0≤δ≤0.05。其制备方法包括混料、预烧、造粒、成型及排塑、烧结、被银、极化工艺步骤。本发明制备的偏铌酸铅基压电陶瓷其变温压电应变系数d^*₃₃在室温～350℃温度范围内至少为75pC/N以上，优选为80pC/N以上，在高端声波石油测井等高温作业环境，显示出良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及压电陶瓷领域，主要是一种高居里温度高稳定性偏铌酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

随着我国成为世界第二大经济体，我国的能源需求逐渐增加，根据中国石油和化学工业联合会数据，2020年我国国内石油产量1.95亿吨，同比增长1.6％；原油表观消费量7.36亿吨，同比增长5.6％,原油对外依存度达到73.5％,且对外依存度不断上升，而同比新增探明油气地质储量降至10年来最低点，保障能源安全成为当务之急。随着高品质常规油气资源储量的减小，我国油气资源开发日益转向超深油气、页岩油气、深水油气、煤层气等领域。我国油气勘探开发区域中复杂和隐蔽岩性油气藏占整个油气资源的60％，勘探深度越来越深，难度越来越大，而这些资源的开采都迫切需要能在350℃稳定工作的压电陶瓷。

常用PZT压电陶瓷的居里温度一般在320℃～360℃的范围，其工作温度上限一般是在居里温度的1/2处；因而，目前国内多极子阵列声波测井仪器一般只能用到150℃左右的环境温度，远远不能满足深部(大于5000米)油气勘探的需要。长期以来，我国的高端声波测井仪器一直依赖进口，价格高昂且常常受制于人(如进口一套多极子阵列声波测井仪高达1300万人民币)，因此，研究制备具有高居里温度的压电陶瓷具有重要意义。

偏铌酸铅(PbNb₂0₆)是最早发现的钨青铜结构的铁电体，该体系具有压电系数各向异性大，品质因数低，且在较高的居里温度(Tc＝570℃)下不易退极化的特点，因此特别适合用于制造耐高温耐高静水压的换能器。但是纯的偏铌酸铅存在着压电活性差，机电耦合系数低，以及不易烧结等缺点。掺杂改性可以改善偏铌酸铅压电陶瓷的烧结性能和压电特性,Kunihiro等通过在PbNb₂0₆中固溶大量的Ba²⁺和La³⁺离子制备了(Pb_0.62Ba_0.38)_0.94La_0.04Nb₂0₆陶瓷材料，其具有较高的压电常数d₃₃＝180pC/N,但同时居里温度会急剧下降，使其并不适合在高温下使用；周静等人通过Cr₂0₃、Y₂0₃、Sm₂0₃、Nd₂0₃和Ce0₂等氧化物进行掺杂改性，改善了材料的烧结性能，但是其居里温度下降到420℃左右^[2]；专利CN 1064941C提供了一种铌酸铅压电陶瓷组合物，但其居里温度也只是高于400℃，相比纯偏铌酸铅居里温度降低很多，并且上述研究均没有给出高温条件下偏铌酸铅压电陶瓷的性能变化情况，鉴于上述情况，因而有必要继续进行掺杂改性研究，以期寻找到新的高居里温度高稳定性压电陶瓷材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种高居里温度高稳定性偏铌酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法，主要应用于高端声波石油测井等高温作业环境。