專利名稱:一種高溫下穩(wěn)定使用的鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫下穩(wěn)定使用的鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料及其制備方法，屬壓電陶瓷領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對(duì)振動(dòng)量的檢測(cè)，幾乎涉及到每個(gè)工程領(lǐng)域。要檢測(cè)振動(dòng)就必需測(cè)振傳感器，壓電加速度計(jì)是其中應(yīng)用最廣、品種最多的傳感器之一。在火電發(fā)電機(jī)組、冶金軋鋼機(jī)和鋼板碾壓機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、艦船高速柴油機(jī)和其它大型運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備等重要設(shè)備的振動(dòng)檢測(cè)中，都離不開(kāi)高溫壓電加速度計(jì)。其中使用量最多的是300℃～500℃的高溫壓電加速度計(jì)，其中航空系統(tǒng)需要的是480℃高溫壓電加速度計(jì)。但在國(guó)內(nèi)，目前尚無(wú)性能優(yōu)良、使用溫度高于300℃的高溫壓電傳感器產(chǎn)品。即使國(guó)外也只有美國(guó)Endevco公司、丹麥B&K公司和瑞士Kistler公司等極少數(shù)廠家能生產(chǎn)這類器件，因此價(jià)格十分昂貴，以致我國(guó)每年不得不花費(fèi)大量的外匯從國(guó)外進(jìn)口高溫壓電加速度計(jì)，用于少數(shù)關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)和監(jiān)控，而且這些公司經(jīng)常對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)格的產(chǎn)品禁運(yùn)和技術(shù)保密。
高溫壓電陶瓷材料是高溫壓電加速度計(jì)的基礎(chǔ)和核心元件。我國(guó)從70年代末就積極開(kāi)展對(duì)高溫壓電加速度計(jì)的研究與開(kāi)發(fā)，但因其中最為關(guān)鍵的核心元件-高溫壓電陶瓷材料的研究工作未取得實(shí)質(zhì)性突破，從而限制了高溫壓電加速度計(jì)向400℃以上的技術(shù)平臺(tái)發(fā)展。這對(duì)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(yōu)良的性能溫度穩(wěn)定性。為了滿足實(shí)際應(yīng)用提出的更高要求，我們對(duì)材料進(jìn)行了更加深入的研究。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種可在高溫下穩(wěn)定使用的壓電陶瓷材料。在設(shè)計(jì)配方時(shí)，綜合考慮一下幾個(gè)因素1、對(duì)A位采用(Na，Bi)復(fù)合置換部分的Ca2+；2、減少Ca2+含量，形成A位Ca2+離子缺位；3、對(duì)B位采用Nb5+、W6+等高價(jià)離子取代Ti4+；4、外加CeO2、Sb2O3和CoO中的一種或幾種復(fù)合添加物；5、工藝的改進(jìn)。
具體制備方法是以Ca(OH)2(化學(xué)純)、Bi2O3(高純)、TiO2(電容器規(guī)格)、Na2CO3(化學(xué)純)、CoO(化學(xué)純)、Sb2O3(化學(xué)純)、CeO2(化學(xué)純)、Nb2O5(工業(yè)純)、WO3(化學(xué)純)為原料，按Ca1-x-a(NaBi)x/2BiTi4-y-zNbyW2O15+bmol％CeO2+cmol％Sb2O3+dmol％CoO的化學(xué)計(jì)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(zhì)，經(jīng)行星球磨1～6小時(shí)，然后700-900℃/1-4小時(shí)的敞開(kāi)粉末合成，再經(jīng)行星細(xì)磨、烘干、加粘結(jié)劑、成型(成型壓力為150～200MPa)、排塑(800℃/1小時(shí))、燒結(jié)(1000～1350℃/1～4小時(shí))、冷加工、超聲清洗、上電極、極化(80～200℃，6～16kv/mm，10～30分鐘、最后進(jìn)行性能測(cè)試，即可得到供使用的壓電陶瓷元件。
本發(fā)明的效果是獲得了一種介電常數(shù)ε33T/ε0＝130±10，介電損耗tanδ≤0.10％，居里溫度Tc＝782℃，壓電系數(shù)d33＝19±1pC/N，體電阻率ρv(4N)℃)＝1×109Ω·cm的高溫高穩(wěn)定性壓電陶瓷材料。
表1為本發(fā)明陶瓷元件在熱處理后電容量C和壓電系數(shù)d33的變化。
表1
從表1可以看出本發(fā)明陶瓷元件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫處理，電容量C和壓電系數(shù)d33幾乎沒(méi)有變化，且本發(fā)明陶瓷材料在高溫(480℃)下的體電阻率達(dá)到1×109Ω·cm，是一種很好的高溫傳感器用壓電陶瓷材料。
表2為上海硅酸鹽研究所(核心元件使用本專利材料)和美國(guó)Endevco公司壓電傳感器探頭性能對(duì)比表。
表2

圖1為本專利材料的介電溫譜曲線。
具體實(shí)施方式本發(fā)明的實(shí)施例如下以Ca(OH)2(化學(xué)純)、Bi2O3(高純)、TiO2(電容器規(guī)格)、Na2CO3(化學(xué)純)、CoO(化學(xué)純)、Sb2O3(化學(xué)純)、CeO2(化學(xué)純)、Nb2O5(工業(yè)純)、WO3(化學(xué)純)為原料，按Ca1-x-a(NaBi)x/2BiTi4-y-zNbyWzO15+bmol％CeO2+cmol％Sb2O3+dmol％CoO的化學(xué)計(jì)量稱量，當(dāng)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(jìn)行配料，用酒精作為介質(zhì)，經(jīng)行星球磨1～6小時(shí)，然后700-900℃/1-4小時(shí)的敞開(kāi)粉末合成，再經(jīng)行星細(xì)磨、烘干、加粘結(jié)劑、成型(成型壓力為150～200MPa)、排塑(800℃/1小時(shí))、燒結(jié)(1000～1350℃/1～4小時(shí))、冷加工、超聲清洗、上電極、極化(80～200℃，6～16kv/mm，10～30分鐘)、最后進(jìn)行性能測(cè)試，即可得到供使用的壓電陶瓷元件。
表3列出了本實(shí)施例的配方及結(jié)果。
表3
權(quán)利要求
1.一種高溫下穩(wěn)定使用的鉍層狀結(jié)構(gòu)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(quán)利要求
1所述的一種高溫下穩(wěn)定使用的鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料，其特征在于對(duì)A位采用Na，Bi復(fù)合取代部分Ca2+。
3.按權(quán)利要求
1所述的一種高溫下穩(wěn)定使用的鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料，其特征在于減秒Ca2+含量，形成A位Ca2+離子缺位。
4.按權(quán)利要求
1-3之一所述的一種高溫下穩(wěn)定使用的鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料的制備方法，包括球磨工藝、合成、燒結(jié)、極化等工藝，其特征在于(1)采用行星球磨工藝；(2)敞開(kāi)煅燒粉末合成；(3)燒結(jié)溫度為1000-1350℃，保溫0.5-4小時(shí)。(4)極化條件溫度80-200℃，電壓6-16kV/mm，時(shí)間10-30分鐘。
5.按權(quán)利要求
1-3之一所述的一種高溫下穩(wěn)定使用的鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料的制備方法，包括球磨工藝、合成、燒結(jié)、極化等工藝，其特征在于合成粉末條件為700-900℃煅燒1-4小時(shí)。
專利摘要
一種在高溫下穩(wěn)定使用的鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料及其制備方法，屬壓電陶瓷領(lǐng)域。鉍層狀結(jié)構(gòu)型壓電陶瓷材料的化學(xué)通式為Bi
文檔編號(hào)C04B35/475GK1994966SQ200610147892
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月25日
發(fā)明者李玉臣, 包紹明, 周志勇, 姚烈, 董顯林 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan