一种钛酸铋钙基压电陶瓷材料及其制备方法与流程

本发明涉及压电陶瓷，具体涉及一种钛酸铋钙基压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

1、汽车、航天航空、能源等行业对于高温压电加速度传感器有着迫切需求。高温压电器件的核心元件为压电材料，材料性能优劣决定了器件的品质，因此针对高温压电材料的研究就显得至关重要。

2、压电材料包含压电单晶与陶瓷材料，目前锆钛酸铅，即pzt基陶瓷经数十年的发展，压电常数虽取得长足进步，但居里温度tc≤400℃，导致其使用温度需低于300℃；铌酸锂(linbo3)、sr2nb2o7、la2ti2o7、硅酸镓镧(la3ga5sio14)、硼酸氧钙钇(ycob)等单晶材料具极高居里点(tc＞1000℃)和高温电阻率，但压电常数低、技术开发难度大、制备成本高，难以做到工业化大规模应用。

3、铋层状结构陶瓷具有较高居里温度，如钛酸铋钙cabi4ti4o15(cbt)体系陶瓷具备高居里温度(780℃)，但也存在劣势，如压电常数较低(d33＝7.5pc/n)和高温电阻率低(7×105ω·cm@600℃)等。因此，在保持较高居里温度的前提下，提高钛酸铋钙基的压电陶瓷材料的压电性能和高温电阻率视为高温材料研究领域的一个重要课题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提出一种钛酸铋钙基压电陶瓷材料及其制备方法，该钛酸铋钙基压电陶瓷材料具有压电常数大、居里温度高和高温电阻率高，在高温压电传感器领域具有实际的应用价值。

2、为解决上述问题，本发明的实施例在第一方面提出了一种钛酸铋钙基压电陶瓷材料，其在cbt陶瓷的a位掺杂铈离子、b位掺杂镱离子和钽离子，同时外掺nb2o5进行改性；

3、其化学计量式为cacexbi4-xti4-y(yb1/2ta1/2)yo15+z mol％nb2o5，其中，0＜x≤0.1，0＜y≤0.1，0＜z≤4。

4、根据本发明实施例的一种钛酸铋钙基压电陶瓷材料，采用在cbt陶瓷的a位掺杂铈离子、b位掺杂镱离子和钽离子，同时外掺nb2o5进行改性，从而使得钛酸铋钙基压电陶瓷材料保持了高居里温度(790℃)，并且压电常数(从7.5pc/n提升至22pc/n)和高温电阻率(7×105ω·cm@600℃提升至4.5×106ω·cm@600℃)大幅提升。

5、本发明的实施例在第二方面提出了一种上述的钛酸铋钙基压电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

6、步骤1、按照化学计量称取各种原料混合球磨成浆料，浆料干燥，预烧结，得预烧结粉料；

7、步骤2、将预烧结粉料二次球磨后，烘干，加入粘合剂进行研磨造粒，过筛，压制成型，得薄圆坯；

8、步骤3、将薄圆坯排胶，烧结，得烧结陶瓷片；

9、步骤4、将烧结陶瓷片两面抛光并印刷上电极，再烧结电极，置于硅油中施加电压进行极化，得到钛酸铋钙基压电陶瓷材料。

10、根据本发明的实施例，该方法采用传统的固相反应法即可制备，制备工艺简单稳定，操作方便，适于大规模工业生产的推广，具有实际的应用价值和广泛的应用前景。

11、可选地，步骤1中，所述原料包括碳酸钙caco3、氧化铋bi2o3、氧化钛bi2o3、氧化铈ceo2、氧化镱yb2o3、五氧化二钽ta2o5和五氧化二铌nb2o5。

12、可选地，步骤1中，在球磨时，以无水乙醇为分散介质，使用行星磨机器进行混合球磨6h～12h，转速200rpm～300rpm；在干燥时，将浆料置于100℃～120℃温度下干燥；在预烧结时，在650℃～750℃温度下预烧，保温2h～4h，得到预烧结粉料。

13、可选地，步骤2中，二次球磨的时间为12h～24h。

14、可选地，步骤2中，粘合剂为质量比为12％的聚乙烯醇pva水溶液。

15、可选地，步骤2中，过60目筛子后，压制成直径12mm～15mm、厚度0.5mm～1mm的薄圆坯。

16、可选地，步骤3中，排胶为经过600℃～850℃保温1h排出pva溶液；烧结为将薄圆坯于1050℃～1180℃下烧结2h～4h。

17、可选地，步骤4中，在两面抛光的烧结陶瓷片上印刷铂/金电极，再于800℃～1000℃温度烧结电极，保温10min～30min。

18、可选地，步骤4中，在200℃～240℃硅油中施加12kv/mm～15kv/mm的直流电场保持20min～40min。

19、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种钛酸铋钙基压电陶瓷材料，其特征在于，在cbt陶瓷的a位掺杂铈离子、b位掺杂镱离子和钽离子，同时外掺nb2o5进行改性；

2.一种如权利要求1所述的钛酸铋钙基压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述原料包括碳酸钙caco3、氧化铋bi2o3、氧化钛bi2o3、氧化铈ceo2、氧化镱yb2o3、五氧化二钽ta2o5和五氧化二铌nb2o5。

4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，在球磨时，以无水乙醇为分散介质，使用行星磨机器进行混合球磨6h～12h，转速200rpm～300rpm；在干燥时，将浆料置于100℃～120℃温度下干燥；在预烧结时，在650℃～750℃温度下预烧，保温2h～4h，得到预烧结粉料。

5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，二次球磨的时间为12h～24h。

6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，粘合剂为质量比为12％的聚乙烯醇pva水溶液。

7.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，过60目筛子后，压制成直径12mm～15mm、厚度0.5mm～1mm的薄圆坯。

8.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，排胶为经过600℃～850℃保温1h排出pva溶液；烧结为将薄圆坯于1050℃～1180℃下烧结2h～4h。

9.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤4中，在两面抛光的烧结陶瓷片上印刷铂或金电极，再于800℃～1000℃温度烧结电极，保温10min～30min。

10.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤4中，在200℃～240℃硅油中施加12kv/mm～15kv/mm的直流电场保持20min～40min。

技术总结
本发明公开了一种钛酸铋钙基压电陶瓷材料及其制备方法，该陶瓷材料在CBT陶瓷的A位掺杂铈离子、B位掺杂镱离子和钽离子，同时外掺Nb2O5进行改性；其化学计量式为CaCexBi4‑xTi4‑y(Yb1/2Ta1/2)yO15+z mol％Nb2O5，其中，0＜x≤0.1，0＜y≤0.1，0＜z≤4。该陶瓷材料具有压电常数大、居里温度高和高温电阻率高，在高温压电传感器领域具有实际的应用价值，同时制备工艺简单稳定，操作方便，适于大规模工业生产的推广。

技术研发人员：余洋,姜旭宇,柯银鸿,王海圣,翁新全,许静玲,刘瑞林
受保护的技术使用者：厦门乃尔电子有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12