四方相鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基壓電陶瓷的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷的制備方法，具體涉及一種四方相鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基高溫壓電陶瓷的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電材料可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換，是一類(lèi)重要的功能材料，廣泛應(yīng)用于航空、能源、汽車(chē)制造、通信、家電、探測(cè)和計(jì)算機(jī)等諸多領(lǐng)域，是構(gòu)成濾波器、換能器、傳感器、壓電變壓器等電子元件的重要部件，已成為21世紀(jì)高新技術(shù)的主要研究方向之一。近十幾年來(lái)，隨著航天航空、石油化工、地質(zhì)勘探、核能發(fā)電、汽車(chē)制造等工業(yè)的迅速發(fā)展，電子設(shè)備需要在更高的溫度下工作，同時(shí)也對(duì)壓電材料提出了更高的要求，不僅要求壓電材料具有優(yōu)異的性能，而且還要求壓電材料具有更高的使用溫度。例如用于汽車(chē)機(jī)罩內(nèi)的振動(dòng)傳感器、表面控制和動(dòng)態(tài)燃料注射噴嘴上的壓電材料要求工作溫度高達(dá)300°C，油井下使用的聲波測(cè)井換能器工作溫度也達(dá)到200-300°C。因此，現(xiàn)在工業(yè)中的很多場(chǎng)合要求壓電材料必須在較高的溫度下(> 400°C)不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)相變以保證不發(fā)生高溫退極化現(xiàn)象而劣化壓電器件的溫度穩(wěn)定性。
[0003]目前研究較多的高溫高性能壓電材料有鈧酸鉍-鈦酸鉛體系和鈦鎂酸鉍鈦酸鉛等體系。但是鈧酸鉍-鈦酸鉛的制備原材料氧化鈧的價(jià)格及其昂貴，從而使得鈧酸祕(mì)-鈦酸鉛很難在工業(yè)上獲得大規(guī)模的應(yīng)用。鈦鎂酸祕(mì)-鈦酸鉛體系壓電陶瓷在文獻(xiàn)和專(zhuān)利(C.A.Randall, R.E.Eitel, B.Jones, and T.R.Shrout, J Appl Phys, 2004, 95, 3633 ；Q.Zhang, Z.Li, F.Li, Z.Xu, and X.Yao, J Am Ceram Soc, 2010, 93, 3330 ；CN 102336567A)中已經(jīng)有所報(bào)道。但是其成分都集中在準(zhǔn)同相界周?chē)?，?l-x)Bi(Mg1/2Ti1/2)03-xPbTi0# X的值小于0.42，且其物相為三方相，未摻雜樣品的居里溫度在450°C以下，摻雜錳之后雖然有所提高，但是提高的幅度不大，只有520°C左右。也很難滿(mǎn)足很多高溫領(lǐng)域?qū)Σ牧鲜褂脺囟鹊囊蟆?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有鈦鎂酸鉍鈦酸鉛體系壓電陶瓷很難承受高溫的性能缺陷，本發(fā)明提供了一種經(jīng)歷高溫后仍具有較高壓電性能的四方相鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基壓電陶瓷的制備方法。
[0005]本發(fā)明提供了一種四方相鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基壓電陶瓷的制備方法，所述四方相鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基壓電陶瓷的組成化學(xué)式為(1-X) Bi (Mg1/2Ti 1/2) O3-XPbT13，其中
0.50 ^ X ^ 0.90，所述方法包括:
1)按所述四方相鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基壓電陶瓷組成化學(xué)式中金屬元素之間的摩爾比，稱(chēng)取金屬氧化物粉末，其中，Bi的氧化物為Bi2O3, Mg的氧化物為MgO，Ti的氧化物為T(mén)12,Pb的氧化物為PbO和/或Pb3O4;
2)先將步驟I)稱(chēng)量金屬氧化物粉末均勻混合后進(jìn)行成型處理得到壓電陶瓷素坯，然后將壓電陶瓷素坯在1000-1200°C燒結(jié)得到塊體陶瓷；
3)將步驟2)制備的塊體陶瓷被覆上銀電極或鉑電極，在硅油中進(jìn)行極化處理。
[0006]較佳地，0.55 ^ X ^ 0.70。
[0007]較佳地，0.58 ^ X ^ 0.64。
[0008]較佳地，所述金屬氧化物粉末中還含有用于摻雜四方相鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基壓電陶瓷的Mn02、Cr2O3, CuO、Nb2O5, La2O3, N1和/或ZnO，摻雜的金屬氧化物摩爾比不超過(guò)所述壓電陶瓷中Bi和Pb元素摩爾之和的5%。
[0009]較佳地，所述金屬氧化物粉末中還添加有粘結(jié)劑，粘結(jié)劑包括PVA、PVB,所述粘結(jié)劑質(zhì)量為金屬氧化物粉末的5-10wt%。
[0010]較佳地，通過(guò)在50-500MPa下、對(duì)原料粉末冷等靜壓壓制或壓片機(jī)壓制得到所述壓電陶瓷素坯。
[0011]較佳地，步驟2)中燒結(jié)時(shí)間為1-20小時(shí)，升溫速率和降溫速率為0.5_6°C /分鐘。
[0012]較佳地，步驟3)中在硅油中極化20-40分鐘，極化溫度為25-150°C，極化電壓為3-7KV/mm0
[0013]本發(fā)明的有益效果:
所制備的四方相的鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基壓電陶瓷，與通常制備的位于準(zhǔn)同相界周?chē)?，?1-x)Bi (Mg1/2Ti1/2) O3-XPbT13U ^ 0.42)相比，其使用溫度有了大幅度的提高，從400°C以下，提高到600°C以上，提高了 200°C。對(duì)于0.55蘭X蘭0.70的優(yōu)選成分，其使用溫度甚至達(dá)到650°C。個(gè)別成分最優(yōu)的樣品在800°C的溫度下退火后，其d33仍有100pC/N左右。此外，樣品的介電損耗較小，小于3%，且溫度穩(wěn)定性好。本發(fā)明所涉及的材料能夠滿(mǎn)足很多高溫領(lǐng)域同時(shí)對(duì)壓電材料性能和使用溫度和溫度穩(wěn)定性方面的要求。此外，此方法工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，能耗低，制備周期短，易于大規(guī)模生產(chǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中制備的四方相鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基壓電陶瓷的XRD圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合附圖和下述實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)理解，附圖及下述實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0016]本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于高溫領(lǐng)域的四方相鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基壓電陶瓷，其化學(xué)式為(1-X) Bi (Mg1/2Ti1/2) O3-XPbT13,其中 0.50 蘭 x 蘭 0.90。
[0017]優(yōu)選地，0.55 芻 X 芻 0.70。
[0018]更有選地，0.58 ^ X ^ 0.64。
[0019]可以利用錳離子、鉻離子、銅離子、鈮離子、鑭離子、鎳離子以及鋅離子等進(jìn)行摻雜O
[0020]優(yōu)選錳離子進(jìn)行摻雜。
[0021]制備方法為:
步驟A)陶瓷粉體制備，首先制備成分為(1-x) Bi (Mg1/2Ti1/2) O3-XPbT13 (其中0.50 ^ X ^ 0.90)的粉體；
步驟B)制作坯料:在步驟A獲得的粉體中加入一定量的PVA、PVB等粘結(jié)劑通過(guò)球磨機(jī)混合均勻后，在50-500MPa的壓力下成型為坯料(素坯)；
步驟C)燒結(jié):在成型后的坯料覆蓋上相同成分的粉末，置入倒放的坩禍中，在1000-1150°C的溫度下煅燒1-20小時(shí)得塊體陶瓷；
步驟D)被電極和極化:將得到的塊體加工成一定形狀和尺寸后被覆上銀電極或者鉑電極，在硅油中極化20-40分鐘，極化溫度為25-150°C，極化電壓為3_7KV/mm。
[0022]步驟A)中，還可利用 MnO2、Cr2O3、Cu。、Nb2O5、La2O3、N1 和 / 或 ZnO 等對(duì)(1-χ)Bi (Mg1/2Ti1/2) O3-XPbT13進(jìn)行摻雜，摻雜量不超過(guò)(1-X)Bi (Mg 1/2Ti1/2) 03_xPbT13摩爾分?jǐn)?shù)的5%。
[0023]步驟A)中，制備粉體的方法可以包括固相反應(yīng)，溶膠凝膠，共沉淀等方法。
[0024]步驟B)中，所述的粘結(jié)劑的量為5-10wt %，優(yōu)選6 % -7 %。
[0025]步驟B)中，所述的成型方法可以是冷等靜壓壓制或壓片機(jī)壓制等方法。
[0026]步驟C)中燒結(jié)的升溫速率和降溫速率為0.5-6 0C /分鐘。
[0027]本發(fā)明對(duì)鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛體系壓電陶瓷的成分進(jìn)行了進(jìn)一步的拓展，使其成分較大的偏離準(zhǔn)同相界區(qū)域，進(jìn)入四方區(qū)域，獲得了一種新的四方相鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基壓電陶瓷。其與準(zhǔn)同相界周?chē)煞?，?1-x)Bi (Mg1/2Ti1/2) O3-XPbT13(x ^ 0.42)的樣品相比，使用溫度大幅度的升高，使用溫度高于600°C。對(duì)于0.55 f X 5 0.70的優(yōu)選成分，其使用溫度甚至達(dá)到650°C。個(gè)別成分最優(yōu)的樣品在800°C的溫度下退火后，其d33仍有100pC/N左右。此外，樣品的介電損耗較小，小于3%，且溫度穩(wěn)定性好。與準(zhǔn)同相界附近的(1-x)Bi (Mg1/2Ti1/2) O3-XPbT13 (x ^ 0.42)相比，四方相鈦鎂酸鉍-鈦酸鉛基壓電陶瓷能夠在更加廣泛的場(chǎng)合下應(yīng)用，這一系列的優(yōu)勢(shì)使得它在超聲換能器、驅(qū)動(dòng)器和傳感器件等方面有著非常巨