專利名稱：一種高體電阻率鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在高溫范圍(200℃-400℃)內(nèi)具有高體電阻率的鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料及其制備方法，屬于陶瓷組成與制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對振動量的檢測，幾乎涉及到每個工程領(lǐng)域。要檢測振動就必需測振傳感器，壓電加速度計是其中應(yīng)用最廣、品種最多的傳感器之一。在火電發(fā)電機組、冶金軋鋼機和鋼板碾壓機、航空發(fā)動機、艦船高速柴油機和其它大型運轉(zhuǎn)設(shè)備等重要設(shè)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(tǒng)需要的是480℃高溫壓電加速度計。但在國內(nèi)，目前尚無性能優(yōu)良、使用溫度高于300℃的高溫壓電傳感器產(chǎn)品。即使國外也只有美國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，用于少數(shù)關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)檢測和監(jiān)控，而且這些公司經(jīng)常對我國實行嚴格的產(chǎn)品禁運和技術(shù)保密。
符合要求的高溫壓電陶瓷材料是高溫壓電加速度計等高溫壓電傳感器件的基礎(chǔ)和核心元件。我國從二十世紀70年代末就積極開展了對高溫壓電加速度計的研究與開發(fā)，但是因為其最為關(guān)鍵的核心元件-高溫壓電陶瓷材料的研究工作未取得實質(zhì)性突破，從而限制了高溫壓電加速度計向300℃以上的技術(shù)平臺發(fā)展。其主要原因是目前高溫壓電傳感器件的應(yīng)用對壓電陶瓷材料提出了很高的要求(1)在高溫下(200℃-400℃)具有較高的體電阻率；(2)在高溫下具有較好的壓電穩(wěn)定性；(3)電容隨溫度的變化要小，具有優(yōu)良的性能穩(wěn)定性。為了滿足實際應(yīng)用提出的更高要求，我們對材料進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能在高溫范圍(200℃-400℃)內(nèi)穩(wěn)定使用的壓電陶瓷材料。在設(shè)計配方時，在A位用Ca2+和Ba2+復(fù)合置換部分的Sr2+；有意減少A位Sr2+離子的量，以造成A位Sr2+缺位；增加Bi3+離子的含量；并且外加一些氧化物作為添加物和改進工藝等手段，獲得了一種性能優(yōu)良的壓電陶瓷材料。
具體制備方法是Bi2O3(高純)、TiO2(電容器規(guī)格)、SrCO3(工業(yè)純)、CaCO3(化學(xué)純)、BaCO3(工業(yè)純)、Nb2O5(工業(yè)純)、Cr2O3(化學(xué)純)、Sm2O3(化學(xué)純)為原料，按化學(xué)計量(Bi2O2)2+(Sr1-x-y-aCaxBayBi2+zTi4O13)2-+bmol％Nb2O5+cmol％Sm2O3+dmol％Cr2O3稱量，用酒精作為介質(zhì)，經(jīng)行星球磨1～6h，然后700℃-900℃/1-4h的敞開粉末合成，再經(jīng)行星細磨、烘干、加粘結(jié)劑、成型(成型壓力為150MPa-200MPa)、排塑(800℃/1h)、燒結(jié)(1000℃-1350℃/1-4h)、冷加工、超聲清洗、上電極、極化(80℃-200℃，6-16kv/mm，10-30min)等工藝，最后進行相關(guān)性能測試，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/εo＝160±20，介電損耗tanδ≤0.28％，居里溫度Tc＝530℃，壓電系數(shù)d33＝21pC/N，體電阻率ρv(400℃)＝1.2×1010Ω·cm的高穩(wěn)定性高溫壓電陶瓷材料。
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)過長時間的高溫處理，電容量c和壓電系數(shù)d33幾乎沒有任何變化，而且本發(fā)明陶瓷材料在高溫(400℃)下的體電阻率達到1.2×1010Ω·cm，是一種很好的高溫傳感器用壓電陶瓷材料。


圖1為本材料的體電阻率隨溫度變化的曲線；圖2為本材料的電容隨溫度變化的曲線。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施例如下以Bi2O3(高純)、TiO2(電容器規(guī)格)、SrCO3(工業(yè)純)、CaCO3(化學(xué)純)、BaCO3(工業(yè)純)、Nb2O5(工業(yè)純)、Cr2O3(化學(xué)純)、Sm2O3(化學(xué)純)為原料，按化學(xué)計量(Bi2O2)2+(Sr1-x-y-aCaxBayBi2+zTi4O13)2-+bmol％Nb2O5+cmol％Sm2O3+dmol％Cr2O3稱量，當x＝0.05，0.1，0.15，0.2，0.25和0.3，y＝0.0，0.05，0.1，0.15，0.2和0.25；z＝0.02，a＝0.01，b＝0.02，c＝0.05，d＝0.03，分別進行配料，用酒精作為介質(zhì)，經(jīng)行星球磨1-6h，然后經(jīng)過700℃-900℃/1-4h的敞開粉末合成，再經(jīng)行星細磨、烘干、加粘結(jié)劑、成型(成型壓力為150MPa-200MPa)、排塑(800℃/1h)、燒結(jié)(1000℃-1350℃/1-4h)、冷加工、超聲清洗、上電極、極化(80℃-200℃，6-16kV/mm，10-30min)等工藝，最后進行性能測試，得到供使用的壓電陶瓷元件。表2列出了本實施例的配方及結(jié)果。
表2

權(quán)利要求
1.一種高體電阻率鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料及其制備方法，其配方為(Bi2O2)2+(Sr1-x-y-aCaxBayBi2+zTi4O13)2-+bmol％Nb2O5+cmol％Sm2O3+dmol％Cr2O3。
2.按權(quán)利要求1所述的一種高體電阻率鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料，其特征在于采用Ca2+和Ba2+復(fù)合置換A位的Sr2+。
3.按權(quán)利要求1所述的一種高體電阻率鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料，其特征在于減少A位Sr2+的含量以造成A位Sr2+缺位；同時，增加Bi3+的含量。
4.按權(quán)利要求1所述的一種高體電阻率鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料，其特征在于添加物為氧化物Nb2O5、Cr2O3、Sm2O3等中的一種或幾種復(fù)合。
5.按權(quán)利要求1-4之一所述的一種高體電阻率鉍層狀結(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)敞開煅燒粉末合成；(3)燒結(jié)溫度為1000℃-1350℃，保溫0.5-4h(；(4)極化條件溫度80℃-200℃，電壓6-16kV/mm，時間10-30min。
6.按權(quán)利要求5所述的一種高體電阻率鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于所述的粉末合成條件為700℃-900℃煅燒1-4小時。
全文摘要
一種高體電阻率鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料及其制備方法，屬于陶瓷組成與制備領(lǐng)域。鉍層狀型壓電陶瓷材料的化學(xué)通式為(Bi
文檔編號H01L41/187GK1986485SQ200610147890
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月25日
發(fā)明者李玉臣, 周志勇, 包紹明, 姚烈, 董顯林 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所