一種高溫?zé)o鉛壓電陶瓷復(fù)合物及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于陶瓷材料領(lǐng)域，具體涉及一種高溫?zé)o鉛壓電陶瓷復(fù)合物及其制備方法 和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 高溫壓電陶瓷材料被廣泛應(yīng)用于航空、航天、核能、發(fā)電等眾多重要的科研和工 業(yè)部門，如油井下使用的聲波測(cè)井換能器工作溫度達(dá)到200-300°C;在汽車中工作的動(dòng)態(tài) 燃料注射噴嘴工作溫度高達(dá)300°C;用于航空器引擎的振動(dòng)控制（>500°C);焊接管道的 無損探傷（>370°C);高溫渦街流量計(jì)（>170°C)等領(lǐng)域（文海，王曉慧，趙巍，王浩，李龍 土，桂治輪，高溫壓電陶瓷研宄進(jìn)展，硅酸鹽學(xué)報(bào)，2006, 34 (11) : 1367-1373 ;侯育冬，崔磊， 王賽，王超，朱滿康，嚴(yán)輝，BiA103基高溫?zé)o鉛壓電陶瓷的研宄進(jìn)展，無機(jī)材料學(xué)報(bào)，2010， 25[3]:225-229；XiaoliTan,WeiHu，Highcurietemperatureternarypiezoelectric ceramics，2012. 6. 14，UnitedStatesPatent，US2012/0145943A1 ;劉軍凱，高居里溫度 壓電材料研宄進(jìn)展，壓電與聲光，2012,34[1]: 100-105)。但是發(fā)展至今，能夠長期使用在 350°C以上高溫的壓電陶瓷仍然較少，并且性能隨溫度升高惡化而導(dǎo)致失效，因此探索新型 高溫壓電材料在工業(yè)上有著重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 文獻(xiàn)報(bào)道了許多居里溫度超過500°C的鉍層狀結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷（P.Ferrer，M. Alguer'o,J.E.Iglesias,A.Castro,Processinganddielectricpropertiesof Bi4Srn_3Tin0 3n+3(n= 3, 4and5)ceramicsobtainedfrommechanochemicallyactivated precursors[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety, 2007,27:3641 - 3645.)，是 一類最好的高溫壓電材料。但是這類壓電陶瓷在較高溫度下，其壓電活性退化較大，難以在 300°C以上應(yīng)用。
[0004]Sr2Bi4Ti5018 (SBT)和Ca2Bi4Ti5018 (CBT)是典型的鉍層狀結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶瓷 材料。SBT具有較好的壓電活性，壓電常數(shù)d33達(dá)到26pC/N，但是其居里溫度相對(duì)較 低，僅為267 °C。CBT具有的居里溫度達(dá)到775 °C，但是其壓電活性較低，壓電常數(shù)d33 只有8. 83pC/N，而且該材料的矯頑場(chǎng)較高，難以極化（C.Moure,V.Gil,J.Tartaj，P. Dur'an,Crystallinestructure,dielectricandpiezoelectricpropertiesof bismuth-layerCaxBi4Ti3+x012+3x(x= 1, 2)compounds[J].JournaloftheEuropean CeramicSociety,2005,25:2447 - 2451)。Horiuchi等研宄了 51^14115018-〇3281411 5018體 系，但通過摻雜改性后，常規(guī)制備方法的陶瓷，其壓電常數(shù)d33最大僅為26pC/N，難以在高溫 下應(yīng)用（S.Horiuchi,H.Nagata,T.Takenaka,Ferroelectrics, 2005, 324:3 - 9)。國內(nèi)外都 投入了大量的人力與物力開展高溫壓電陶瓷的研宄與開發(fā)，并取得了進(jìn)步。但能夠?qū)嶋H應(yīng) 用的仍然很少，因此發(fā)展新的高溫?zé)o鉛壓電陶瓷勢(shì)在必行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的之一是為解決現(xiàn)有壓電陶瓷難以在高溫下長時(shí)間使用的問題，提供 一種高溫?zé)o鉛壓電陶瓷復(fù)合物及其制備方法和應(yīng)用。
[0006] 本發(fā)明提供一種高溫?zé)o鉛壓電陶瓷復(fù)合物，具有以下通式： SrhCaxNao.sBiuTiAs+lot%Ce02，其中 0 彡x彡 1。
[0007] 進(jìn)一步的，所述高溫?zé)o鉛壓電陶瓷復(fù)合物晶胞參數(shù)a，b滿足0.995S(b/ a)彡 1. 04。
[0008] 進(jìn)一步的，所述高溫?zé)o鉛壓電陶瓷復(fù)合物350°C高溫時(shí)，仍然保持其室溫時(shí)的壓電 性能，當(dāng)溫度達(dá)到450°C高溫時(shí)，仍然保持其室溫時(shí)75%的壓電活性。
[0009] 進(jìn)一步的，所述高溫?zé)o鉛壓電陶瓷復(fù)合物居里溫度可在586-624°C之間調(diào)節(jié)。
[0010] 進(jìn)一步的，所述高溫?zé)o鉛壓電陶瓷復(fù)合物壓電常數(shù)d33= 24至31pc/N。
[0011] SrhCaJa^BUiAs外加1 Ce02后仍然形成的鉍層狀結(jié)構(gòu)的連續(xù)固溶體， 具有單一的贗四方結(jié)構(gòu)。
[0012] 該無鉛壓電陶瓷復(fù)合物的制備工藝采用傳統(tǒng)的固相合成法，過程如下：
[0013] 1?選取碳酸鍶（SrC03)，碳酸鈣（CaC03)，碳酸鈉（Na2C03)，三氧化二鉍（Bi203)，二 氧化鈦（Ti02)，二氧化鈰（Ce02)為原材料；
[0014] 2?按照所制備SiVxCaxNaQ.sBiuTigO^+lwt%Ce02(x=0-1)材料的化學(xué)通式的化 學(xué)計(jì)量比分別稱取SrC03, Na2C03, CaC03,Bi203,Ti02,CeO^材料后，以無水乙醇為球磨介質(zhì)， 球磨12h混合原料；
[0015] 3.將混好的原料取出烘干后，于750-900°C保溫2h預(yù)合成；
[0016] 4.預(yù)合成后，以去離子水為球磨介質(zhì)再球磨8h后，取出烘干，加入5_8wt%PVB或 PVA粘結(jié)劑造粒得到流動(dòng)性好的顆粒，在230MPa壓力下干壓成型為直徑12mm厚度為1mm的 陶瓷胚體；
[0017] 5.將坯體在500-850°C保溫lh排塑，然后在1180°C燒結(jié)保溫2h，得到致密的陶瓷 樣品；
[0018] 6.燒成后的陶瓷樣品經(jīng)打磨、拋光、被敷銀電極，然后在720°C保溫20min燒銀， 在180°C硅油內(nèi)極化（MS2671A耐壓測(cè)試儀，南京民威電子儀器有限公司），極化電壓為 3-10kV/mm，極化時(shí)間為 15_30min。
[0019] 前述SiVxCaxNaQ.sBiuTigO^+lwt%Ce02(x= 0-1)系壓電陶瓷材料的制備方法，所 述的"球磨"使用的球磨機(jī)可以為行星球磨機(jī)、砂磨機(jī)或工業(yè)用陶瓷粉體混料裝置均能達(dá)到 預(yù)期效果，如使用江蘇省啟東市宏宏儀器設(shè)備廠生產(chǎn)的KEQ型變頻全方位行星式球磨機(jī)， 南京科析實(shí)驗(yàn)儀器研宄所生產(chǎn)的XQM-1L行星式球磨機(jī)，上海儒特機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn) 的RT001型臥式砂磨機(jī)，上海凱日機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的ZSH混料機(jī)等均可。
[0020] 本發(fā)明再提供一種壓電元件，包括上述高溫?zé)o鉛壓電陶瓷復(fù)合物。
[0021] 本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明的高溫?zé)o鉛壓電陶瓷復(fù)合物，高溫耐受性好，能夠 長時(shí)間在高溫條件下工作，壓電活性不易退化，適用于制備高溫高頻壓電器件，例如可應(yīng)用 在油井下使用的聲波測(cè)井換能器、汽車中工作的動(dòng)態(tài)燃料注射噴嘴、焊接管道的無損探傷 高溫渦街流量計(jì)等高溫領(lǐng)域。本方法操作簡(jiǎn)便，制備條件易達(dá)到，產(chǎn)率高，可靠性好，適于工 業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0022] 圖1所示為本發(fā)明高溫?zé)o鉛壓電陶瓷復(fù)合物的XRD圖譜；
[0023] 圖2所示為本發(fā)明高溫?zé)o鉛壓電陶瓷復(fù)合物