一種高溫下穩定使用的鉍層狀結構壓電陶瓷材料及其製備方法
2023-10-05 12:35:49 1
專利名稱:一種高溫下穩定使用的鉍層狀結構壓電陶瓷材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種高溫下穩定使用的鉍層狀結構壓電陶瓷材料及其製備方法，屬壓電陶瓷領域。
背景技術：
對振動量的檢測，幾乎涉及到每個工程領域。要檢測振動就必需測振傳感器，壓電加速度計是其中應用最廣、品種最多的傳感器之一。在火電發電機組、冶金軋鋼機和鋼板碾壓機、航空發動機、艦船高速柴油機和其它大型運轉設備等重要設備的振動檢測中，都離不開高溫壓電加速度計。其中使用量最多的是300℃～500℃的高溫壓電加速度計，其中航空系統需要的是480℃高溫壓電加速度計。但在國內，目前尚無性能優良、使用溫度高於300℃的高溫壓電傳感器產品。即使國外也只有美國Endevco公司、丹麥BK公司和瑞士Kistler公司等極少數廠家能生產這類器件，因此價格十分昂貴，以致我國每年不得不花費大量的外匯從國外進口高溫壓電加速度計，用於少數關鍵設備的狀態檢測和監控，而且這些公司經常對我國實行嚴格的產品禁運和技術保密。
高溫壓電陶瓷材料是高溫壓電加速度計的基礎和核心元件。我國從70年代末就積極開展對高溫壓電加速度計的研究與開發，但因其中最為關鍵的核心元件-高溫壓電陶瓷材料的研究工作未取得實質性突破，從而限制了高溫壓電加速度計向400℃以上的技術平臺發展。這對壓電陶瓷材料提出了較高的要求(1)在高溫下具有較高的體電阻率；(2)在高溫下具有一定高的壓電性(通常d33≥10pc/N)；(3)電容隨溫度的變化小，具有優良的性能溫度穩定性。為了滿足實際應用提出的更高要求，我們對材料進行了更加深入的研究。
發明內容本發明的目的在於提供一種可在高溫下穩定使用的壓電陶瓷材料。在設計配方時，綜合考慮一下幾個因素1、對A位採用(Na，Bi)複合置換部分的Ca2+；2、減少Ca2+含量，形成A位Ca2+離子缺位；3、對B位採用Nb5+、W6+等高價離子取代Ti4+；4、外加CeO2、Sb2O3和CoO中的一種或幾種複合添加物；5、工藝的改進。
具體製備方法是以Ca(OH)2(化學純)、Bi2O3(高純)、TiO2(電容器規格)、Na2CO3(化學純)、CoO(化學純)、Sb2O3(化學純)、CeO2(化學純)、Nb2O5(工業純)、WO3(化學純)為原料，按Ca1-x-a(NaBi)x/2BiTi4-y-zNbyW2O15+bmol％CeO2+cmol％Sb2O3+dmol％CoO的化學計量稱量，其中0.0≤x≤0.8，0.0≤y≤0.8，0.0≤z≤0.8，0.0 ≤a≤0.2，0.0≤b≤5，0.0 ≤c≤2.0，0.0≤d≤2.0，用酒精作為介質，經行星球磨1～6小時，然後700-900℃/1-4小時的敞開粉末合成，再經行星細磨、烘乾、加粘結劑、成型(成型壓力為150～200MPa)、排塑(800℃/1小時)、燒結(1000～1350℃/1～4小時)、冷加工、超聲清洗、上電極、極化(80～200℃，6～16kv/mm，10～30分鐘、最後進行性能測試，即可得到供使用的壓電陶瓷元件。
本發明的效果是獲得了一種介電常數ε33T/ε0＝130±10，介電損耗tanδ≤0.10％，居裡溫度Tc＝782℃，壓電係數d33＝19±1pC/N，體電阻率ρv(4N)℃)＝1×109Ω·cm的高溫高穩定性壓電陶瓷材料。
表1為本發明陶瓷元件在熱處理後電容量C和壓電係數d33的變化。
表1
從表1可以看出本發明陶瓷元件經過長時間的高溫處理，電容量C和壓電係數d33幾乎沒有變化，且本發明陶瓷材料在高溫(480℃)下的體電阻率達到1×109Ω·cm，是一種很好的高溫傳感器用壓電陶瓷材料。
表2為上海矽酸鹽研究所(核心元件使用本專利材料)和美國Endevco公司壓電傳感器探頭性能對比表。
表2
圖1為本專利材料的介電溫譜曲線。
具體實施方式本發明的實施例如下以Ca(OH)2(化學純)、Bi2O3(高純)、TiO2(電容器規格)、Na2CO3(化學純)、CoO(化學純)、Sb2O3(化學純)、CeO2(化學純)、Nb2O5(工業純)、WO3(化學純)為原料，按Ca1-x-a(NaBi)x/2BiTi4-y-zNbyWzO15+bmol％CeO2+cmol％Sb2O3+dmol％CoO的化學計量稱量，當x＝0.12、0.10、0.08、0.12、0.10、0.08；y＝0.06、a＝0.01、b＝0.5、c＝0.4、d＝0.6；z＝0.05、0.05、0.05、0.1、0.1、0.1分別進行配料，用酒精作為介質，經行星球磨1～6小時，然後700-900℃/1-4小時的敞開粉末合成，再經行星細磨、烘乾、加粘結劑、成型(成型壓力為150～200MPa)、排塑(800℃/1小時)、燒結(1000～1350℃/1～4小時)、冷加工、超聲清洗、上電極、極化(80～200℃，6～16kv/mm，10～30分鐘)、最後進行性能測試，即可得到供使用的壓電陶瓷元件。
表3列出了本實施例的配方及結果。
表3
權利要求
1.一種高溫下穩定使用的鉍層狀結構壓電陶瓷材料，其配方為Ca1-x-a(NaBi)x/2BiTi4-y-zNbyWzO15+bmol％CeO2+cmol％Sb2O3+dmol％CoO，其中0.0≤x≤0.8，0.0≤y≤ 0.8，0.0≤z≤0.8，0.0≤a≤0.2，0.0≤b≤5，0.0≤c≤2.0，0.0≤d≤2.0。
2.按權利要求
1所述的一種高溫下穩定使用的鉍層狀結構壓電陶瓷材料，其特徵在於對A位採用Na，Bi複合取代部分Ca2+。
3.按權利要求
1所述的一種高溫下穩定使用的鉍層狀結構壓電陶瓷材料，其特徵在於減秒Ca2+含量，形成A位Ca2+離子缺位。
4.按權利要求
1-3之一所述的一種高溫下穩定使用的鉍層狀結構壓電陶瓷材料的製備方法，包括球磨工藝、合成、燒結、極化等工藝，其特徵在於(1)採用行星球磨工藝；(2)敞開煅燒粉末合成；(3)燒結溫度為1000-1350℃，保溫0.5-4小時。(4)極化條件溫度80-200℃，電壓6-16kV/mm，時間10-30分鐘。
5.按權利要求
1-3之一所述的一種高溫下穩定使用的鉍層狀結構壓電陶瓷材料的製備方法，包括球磨工藝、合成、燒結、極化等工藝，其特徵在於合成粉末條件為700-900℃煅燒1-4小時。
專利摘要
一種在高溫下穩定使用的鉍層狀結構壓電陶瓷材料及其製備方法，屬壓電陶瓷領域。鉍層狀結構型壓電陶瓷材料的化學通式為Bi
文檔編號C04B35/475GK1994966SQ200610147892
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月25日
發明者李玉臣, 包紹明, 周志勇, 姚烈, 董顯林 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan