专利名称：钛镍酸铋－钛锌酸铋－钛酸铅三元系高温压电陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种压电陶瓷及其制备方法，确切地说是钛镍酸铋-钛锌酸铋-钛酸铅三元系高温压电陶瓷及其制备方法，属于电子元器件制造技术领域。
背景技术：
高温压电陶瓷材料已经被广泛用于航空航天、汽车、石化、冶金、地址勘探等众多科研与工业部门。随着科学技术的迅猛发展，许多电子设备对压电陶瓷器件的实用范围和应用环境提出更高要求。目前性能优良、使用温度高于400°C的高温压电陶瓷材料非常少。以锆酸铅-钛酸铅为基的压电陶瓷虽然性能优越，但居里温度难以超过400°C。 此外，目前研究较多的具有高居里点钙钛矿压电陶瓷主要有钪酸铋-钛酸铅，以及钛镁酸铋-钛酸铅、钛镍酸铋-钛酸铅等二元系固溶体陶瓷材料(S.M. Choi, C. J. Stringer, Τ. R. Shrout and C. Α. Randall, J. Appl. Phys. , 98,034108 (2005)) 虽然，前者已被作为高温压电陶瓷材料的候选对象(W. Zhao, X. Wang, J. Hao, H. Wen, L. Li, J. Am. Ceram. Soc.，89， 1200-4(2006) ；CN101857432)，而得到较广泛的研究，然而其原材料^2O3的价格昂贵，难以得到大规模的工业化应用；后者虽然也具有较高的居里温度，然而这个组成的压电陶瓷的电导率较高，介质损耗高，难以极化。钛锌酸铋具有类似于钛镍酸铋和钪酸铋的钙钛矿结构，同时具有比钛镍酸铋更好的绝缘特性，它同样和钛酸铅可以形成固溶体，并能够显著增加体系的四方形而获得更高的居里温度。相比于钛镍酸铋而言，钛镁酸铋具有反铁电相变特性，影响其实际应用。因此， 钛镍酸铋、钛锌酸铋和钛酸铅形成三元系压电陶瓷固溶体，有望获得更高的居里温度，从而提高压电陶瓷的高温稳定性，以及更低的介质损耗和更容易的电极化工艺。遗憾的是现有文献中还未见有钛镍酸铋-钛锌酸铋-钛酸铅形成三元系固溶体压电陶瓷的电性能和制备工艺的研究报道。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种具有良好的介电和压电性能、居里温度高以及价格低廉的钛镍酸铋-钛锌酸铋-钛酸铅三元系高温压电陶瓷及其制备方法。本发明通过钛锌酸铋部分替代钛镍酸铋，来降低体系的介电损耗以及提高居里温度，适应于高温应用领域。本发明解决技术问题所采用的技术方案是本发明钛镍酸铋-钛锌酸铋-钛酸铅三元系高温压电陶瓷的特点在于其组成由以下通式(1)表达(1-n) [uBi (Ni0.5Ti0.5) 03+v Bi (Zn0.5Ti0.5) O3+ (l_u_v) PbTiO3] +nMn02..................
(1)通式(1)中u和ν分别表示Bi (Nia5Tia5)O3和Bi (Zna5Tia5)O3组分的摩尔百分数，0. 4 < u < 0. 6，0 < ν < 0. 3，η为ΜηΑ占原料总量的摩尔百分比，0彡η < 0. 02。本发明钛镍酸铋-钛锌酸铋-钛酸铅三元系高温压电陶瓷的制备方法，包括混合球磨、预烧、制作坯料、烧结、被银和极化，与现有技术的区别在于所述混合球磨是将配比量的各原料混合，以去离子水为介质湿法球磨6-12小时得湿料；所述预烧是将所述湿料干燥后置于氧化铝坩埚中于750-900°C煅烧1-4小时，得到预煅烧粉料；所述制作坯料是将所得预煅烧粉料以去离子水为介质湿法球磨6-12小时，干燥后过100-150目筛，并在 50-200MPa的压力下成型为坯料；所述烧结是将所得坯料置于倒放的双坩埚中，在空气中常压下于1000-115(TC烧结1-4小时得瓷坯；所述被银是将瓷坯抛光被银电极，然后在硅油中极化处理5-15分钟，极化电压3-6kV/mm，极化温度为25_130°C。所述的配比量是指按通式(1)所示的组成及其限定的比例计量后称取的量。具体制备工艺如下1、以Bi203、ai0、Ni0、Ti02、Pb304、Mn02为原料，并按照通式(1)限定的比例配料；2、配好的原料以去离子水为介质，经6-12小时的湿法球磨得湿料，所得湿料干燥后在氧化铝坩埚中于750-900°C煅烧1-4小时，得到预煅烧粉料；3、预煅烧粉料经粉碎后以去离子水为介质湿法球磨6-12小时，干燥后过100-150 目筛并在50-200MPa的压力下成型为坯料；4、将所得坯料置于倒放的双坩埚中，在空气中常压下于1000-1150°C烧结1_4小时得瓷坯；5、将瓷坯抛光被银电极后在硅油中极化处理5-15分钟，极化电压3_6kV/mm，极化温度为25-130°C。6、按照IRE的标准对制备的三元系压电陶瓷样品进行压电和机电耦合性能的测
试ο与已有技术相比，本发明的有益效果体现在1、本发明三元系压电陶瓷具有比钛镍酸铋-钛酸铅二元系更加优异的压电性能和更优异的热稳定性，高温应用潜力巨大，具有实际应用价值。2、本发明三元系压电陶瓷相对于传统的钪酸铋-钛酸铅压电陶瓷来说，可采用传统压电陶瓷的制备技术特别是较廉价的工业用原料制备，更具有实用性。
四
图1为本发明实施例2制备的三元系压电陶瓷材料的X射线衍射图。图2为本发明实施例5制备的三元系压电陶瓷材料的压电常数d33随热处理温度的变化曲线图。
五具体实施例方式具体实施中，钛镍酸铋-钛锌酸铋-钛酸铅三元系高温压电陶瓷的组成由以下通式(1)表示(1-n) [uBi (Ni0.5Ti0.5) 03+v Bi (Zn0.5Ti0.5) O3+ (l_u_v) PbTiO3] +nMn02.............
…(1)通式(1)中u和ν分别表示Bi (Nia5Tia5)O3和Bi (Zna5Tia5)O3组分的摩尔百分数，0. 4 < u < 0. 6，0 < ν < 0. 3，η为ΜηΑ占原料总量的摩尔百分比，0 ^ η < 2% ；本发明钛镍酸铋-铋锌酸铋-钛酸铅三元系高温压电陶瓷的制备方法是1、以市售的化学纯的Bi203、ai0、Ni0、Ti02、Pb304、Mn02为原料，按照通式(1)的组成进行配料；2、配好的原料以去离子水为介质，经6-12小时的湿法球磨得湿料，所得湿料干燥后在氧化铝坩埚中于750-900°C煅烧1-4小时，得到预煅烧粉料；3、预煅烧粉料经粉碎后以去离子水为介质湿球磨6-12小时，干燥后过100-150目筛并在50-200MPa的压力下成型为坯料；4、将所得坯料置于倒放的双坩埚中，在空气中常压下于1000-1150°C烧结1_4小时得瓷坯；5、将瓷坯抛光被银电极后在硅油中极化处理5-15分钟，极化电压3_6kV/mm，极化温度为25-130°C。6、按照IRE的标准对制备的三元系压电陶瓷样品进行压电和机电耦合性能的测
试ο具体实施例如下实施例1 u = 0. 47, 03+0 . 46PbTi03。实施例2 u = 0. 42, 03+0 . 46PbTi03。实施例3 u = 0. 47, 03+0 . 48PbTi03。制备工艺如前所述，预烧温度为850°C，烧结温度1030°C，制得的三元系高温压电陶瓷的性能如表1，其中实施例2中u = 0. 42，ν = 0. 12，n = 0的压电陶瓷的X射线衍射数据如图1所示，显示其结构为单一的钙钛矿结构。从表1可以看出，钛镍酸铋-钛锌酸铋-钛酸铅三元系压电陶瓷具有较高的居里温度，相对文献中报道的钛镍酸铋-钛酸铅二元体系( 400°C)而言，居里温度得到有效提高；此外，还可以看出钛锌酸铋对钛镍酸铋的替代，能够有效降低了材料的介电损耗。表 权利要求
1.钛镍酸铋-钛锌酸铋-钛酸铅三元系高温压电陶瓷，其特征在于其组成由以下通式 (1)表达(1-n) [uBi(Ni0 5Ti0 5) 03+v Bi (Zn0.5Ti0.5) O3+ (1-u-v) PbTiO3] +nMn02..................(1)通式(1)中u和ν分别表示Bi (Ni0.5Ti0.5) O3和Bi (Zn0.5Ti0.5) O3组分的摩尔百分数，0. 4 < u < 0. 6，0 < ν < 0. 3，η为ΜηΑ占原料总量的摩尔百分比，0彡η < 0. 02。
2.—种权利要求1所述的钛镍酸铋-钛锌酸铋-钛酸铅三元系高温压电陶瓷的制备方法，包括混合球磨、预烧、制作坯料、烧结、被银和极化，其特征在于所述混合球磨是将配比量的各原料混合，以去离子水为介质湿法球磨6-12小时得湿料；所述预烧是将所述湿料干燥后置于氧化铝坩埚中于750-900°C煅烧1-4小时，得到预煅烧粉料；所述制作坯料是将所得预煅烧粉料以去离子水为介质湿法球磨6-12小时，干燥后过100-150目筛，并在 50-200MPa的压力下成型为坯料；所述烧结是将所得坯料置于倒放的双坩埚中，在空气中常压下于1000-115(TC烧结1-4小时得瓷坯；所述被银是将瓷坯抛光被银电极，然后在硅油中极化处理5-15分钟，极化电压3-6kV/mm，极化温度为25_130°C。
全文摘要
本发明公开了一种钛镍酸铋-钛锌酸铋-钛酸铅三元系高温压电陶瓷及其制备方法，本压电陶瓷的组成由通式(1-n)[uBi(Ni0.5Ti0.5)O3+vBi(Zn0.5Ti0.5)O3+(1-u-v)PbTiO3]+nMnO2来表示；其制备方法包括混合球磨、预烧、制作坯料、烧结、被银和极化。本发明压电陶瓷组成拥有单一的钙钛矿结构，可采用传统压电陶瓷的制备技术特别是较廉价的工业用原料制备，在390℃时压电常数d33仍能保持在240pC/N，高温应用潜力巨大，具有实际应用价值。
文档编号C04B35/622GK102432285SQ20111027534
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者左如忠, 齐世顺 申请人:合肥工业大学