一种利用荧光同时测定铁电体工作温度与压电系数的方法与流程

1.本发明属于压电功能陶瓷材料领域，具体涉及到一种利用荧光同时测定铁电体工作温度与压电系数的方法。


背景技术：

2.铋层状结构铁电陶瓷是一种适用于高温环境下的压电功能陶瓷材料，广泛应用于航空航天、核能、冶金、石油化工、地质勘探等许多特殊领域。经过高压极化的铁电体具备一定的压电性。铋层状铁电陶瓷的一个重要特征就是其压电系数会随着温度的升高出现退极化的现象，将导致其压电系数出现衰减，致使材料失效。
3.近年来，利用稀土元素进行掺杂的铁电材料来制备光致发光材料的应用和研究日益增多，相关文献报道可见杂志《journal of the european ceramic society》，2017年，第2期，文章编号：10842；还可以参见《journal of photochemistry and photobiology a: chemistry》，2019年，第380期，文章编号：111864。此外，中国发明专利《一种上转换发光透明铁电陶瓷材料及其制备方法和应用》（授权公告号：cn 111484326 b）报道了相关应用。采用铋层状结构的上转换发光材料化学性能和物理稳定性都有提高，且具有铁电材料独有的电学性能，同时制备工艺也相对简单，是一种兼具电学和光学性能的新型多功能材料。
4.由于高温下铁电材料的压电系数会出现衰减，从而导致材料的失效。如何对铁电体的工作温度和高温压电系数进行实时测定是确保其正常工作的重要保障。因此测定此类铁电体的工作温度和高温压电系数显得非常重要，目前针对铁电体压电系数的检测普遍采用传统的接触式测量，但此类接触式测量法并不能满足复杂环境下的实时检测，而且需要夹具并配以耐高温导线，存在设备复杂、操作困难等系列问题。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种性能稳定、操作方便、成本低廉的利用荧光同时测定铁电体工作温度与压电系数的方法。
6.为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种利用荧光同时测定铁电体工作温度与压电系数的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：称取铁电体原始配料，并向其中掺入稀土er
3+
，同时进行组分补偿，在1000～1200℃进行10～20h的固相反应制备出稀土离子掺杂的铁电体材料，并将所制备的铁电体材料作气氛退火工艺处理；步骤二：在步骤一所制备的铁电体材料的两侧镀上透明电极，经极化工艺处理，得到铁电体标准样；步骤三：测量步骤二铁电体标准样的绿色荧光峰强比、绿色荧光强度峰值以及压电系数；步骤四：根据步骤三的测量数值绘制出绿色荧光峰强比与工作温度的标准曲线1和绿色荧光强度峰值与压电系数的标准曲线2；
步骤五：将待测铁电体在制备时加入与步骤一中铁电体标准样相同的稀土er
3+
，并进行组分补偿和气氛退火，然后用光纤光谱仪测定待测铁电体的绿色荧光强度比和绿色荧光强度峰值，根据该荧光强度比和荧光强度峰值在步骤四的标准曲线1、2上查出该铁电体的工作温度和压电系数。
7.所述铁电体材料为abi2nb2o9，a位为na
+
、li
+
、bi
3+
中的至少一种。
8.所述步骤一中稀土er
3+
离子占据a位且摩尔比例不大于0.20。
9.所述组分补偿为加入过量bi2o3作为bi补偿，补偿的bi2o3和原始配料中bi2o3的摩尔比例小于0.05。
10.所述退火工艺为在温度800～900℃，氧气气氛下退火5～10h，然后自然冷却至室温。
11.所述荧光为利用980nm激光激发出稀土er
3+
的上转换绿色荧光；所述的绿色荧光强度比为2h
11/2
和4s
3/2
两个能级的绿色荧光强度比，所述的绿色荧光强度峰值为4s
3/2
能级的绿色荧光强度峰值。
12.所述极化工艺为在温度100～180℃，电场10～15kv/mm条件下作极化处理。
13.所述步骤三中数值测量方法为采用配备了控温装置的准静态d
33
测量仪和光纤光谱仪进行样品的绿色荧光峰强比、绿色荧光强度峰值以及压电系数测试，以每分钟3～5℃升温，并在待测工作温度处保温10～15分钟。
14.所述步骤四中标准曲线1通过将步骤三中测得的绿色荧光峰强比和工作温度一一对应，以铁电体的工作温度为横坐标，以其绿色荧光峰强比为纵坐标绘制获得。
15.所述步骤四中标准曲线2通过将步骤三中测得的绿色荧光强度峰值与压电系数一一对应，以铁电体的压电系数为横坐标，以其绿色荧光强度峰值为纵坐标绘制获得。
16.由于稀土er
3+
的绿光发射能级2h
11/2
和4s
3/2
是热耦合能级，从这两个能级向基态4i
15/2
跃迁的荧光发射强度比与温度密切相关，利用2h
11/2
→4i
15/2
与4s
3/2
→4i
15/2
绿光发射峰强度比值可以对铁电体所处的工作温度进行实时测定。
17.根据j-o理论可知，绿光的振子强度参数ω
t
（t=2，4，6）依赖于晶体场、稀土离子之间的距离等参数。随着温度升高，铁电体结构逐渐由低对称性的铁电相向高对称性的顺电相结构转变，高对称性相的出现将使得晶体场的对称性提升，导致绿光发射强度降低。由于顺电相铁电体不具备压电性能，其压电系数也将随温度的升高而降低。因此，对绿光强度峰值和压电系数进行标定后，可通过绿光强度峰值实时快速的测定铁电体在不同工作温度下的压电系数。
18.与现有技术相比，本发明的优点在于：采用荧光实时测定铁电体的工作温度，同时可以快速检测复杂环境下铁电体在工作温度下的压电系数，测试操作简单方便，无需配备需要夹具和耐高温导线，整体测试成本低廉。
附图说明
19.图1 为实施例1中各组分陶瓷的x射线衍射图谱；图2 为实施例1中各组分陶瓷的上转换荧光光谱；图3 为实施例1中na
0.5
bi
2.5-x
er
x
nb2o
9 (x=0.15)陶瓷的绿色荧光强度比值和工作温度的变化图；
图4为实施例1中na
0.5
bi
2.5-x
er
x
nb2o
9 (x=0.15)陶瓷的绿色荧光强度峰值和压电系数的变化图；图5为实施例2中各组分陶瓷的x射线衍射图谱；图6 为实施例2中各组分陶瓷的上转换荧光光谱；图7为实施例2中na
0.45
li
0.05
bi
2.5-x
er
x
nb2o
9 (x=0.10)陶瓷的绿色荧光强度比值和工作温度的变化图；图8为实施例2中na
0.45
li
0.05
bi
2.5-x
er
x
nb2o
9 (x=0.10)陶瓷的绿色荧光强度峰值和压电系数的变化图。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
21.实施例一：实施例1：利用高纯的nb2o5，bi2o3，na2co3，er2o3作为原始配料，基于原始配料中bi2o3的含量再加入一定比例的bi2o3作为bi补偿，其中补偿的bi2o3和原始配料中bi2o3的摩尔比例为0.02。采用固相法制备技术在1150℃下制备出na
0.5
bi
2.5-x
er
x
nb2o
9 (0.05≤x≤0.20)的铋层状铁电陶瓷。将所得陶瓷放入管式电阻炉的石英管道中退火，在温度800℃，通o2气气氛，恒温5h，然后自然冷却至室温，得到na
0.5
bi
2.5-x
er
x
nb2o
9 (0.05≤x≤0.20)的铋层状铁电陶瓷。在制备的铋层状铁电陶瓷的两侧镀上透明电极，在温度120℃，电场11kv/mm条件下作极化处理。
22.图1为典型的 na
0.5
bi
2.5-x
er
x
nb2o
9 (x=0.05，0.10，0.15，0.20) 铁电陶瓷的x射线衍射图。从图中看出所制备的陶瓷为铋层状结构，并且陶瓷为正交相结构。
23.图2为以上4个组分陶瓷在980nm激光激发下发射出的可见荧光光谱。位于525nm和550nm处的两个绿色发射峰是由于2h
11/2
→4i
15/2
和4s
3/2
→4i
15/2
转换导致的。
24.选取荧光强度最优的x=0.15组分陶瓷，采用配备了控温装置的准静态d
33
测量仪和光纤光谱仪进行样品测试，具体测试方法如下：以每分钟3℃升温，并依次在300℃、350℃、400℃、450℃保温10分钟，测量陶瓷的绿色荧光峰强比、绿色荧光强度峰值以及压电系数，并将绿色荧光强度比值、绿色荧光强度峰值分别和工作温度、压电系数作一一对应，结果列于表1中；表1为不同工作温度下na
0.5
bi
2.5-x
er
x
nb2o9(x=0.15)陶瓷的绿色荧光强度比值、绿色荧光强度峰值以及压电系数的变化工作温度（℃）绿光强度比i
525
/i
550
绿光强度i
550
压电系数d
33
(pc/n)3001.09243020.83501.20208019.84001.33156018.54501.4591017.0以铁电体工作温度为横坐标，以绿色荧光强度比为纵坐标，绘制出工作温度与绿色荧光强度比的标准曲线，如图3所示。根据陶瓷的绿色荧光强度比在标准曲线上查出铁电体的工作温度。同时，以压电系数为横坐标，以绿色荧光强度峰值为纵坐标，绘制出绿色荧光强度峰值与压电系数的标准曲线，如图4所示。根据陶瓷的绿色荧光强度峰值在标准曲线
上查出待测铁电体在高温下的压电系数d
33
值。
25.实施例二：利用高纯的nb2o5，bi2o3，na2co3，li2co3，er2o3作为原始配料，基于原始配料中bi2o3的含量再加入一定比例的bi2o3作为bi补偿，其中补偿的bi2o3和原始配料中bi2o3的摩尔比例为0.04。采用固相法制备技术在1080oc下制备出 na
0.45
li
0.05
bi
2.5-x
er
x
nb2o
9 (0.05≤x≤0.20)的铋层状铁电陶瓷。将所得陶瓷放入管式电阻炉的石英管道中退火，在温度900℃，通o2气气氛，恒温10h，然后自然冷却至室温，得到na
0.45
li
0.05
bi
2.5-x
er
x
nb2o
9 (0.05≤x≤0.20)的铋层状铁电陶瓷。在制备的铋层状铁电陶瓷的两侧镀上透明电极，在温度170℃，电场14kv/mm条件下作极化处理。
26.图5为典型的na
0.45
li
0.05
bi
2.5-x
er
x
nb2o
9 (0.05≤x≤0.20) 陶瓷的x射线衍射图。从图中可以看出所制备的陶瓷为纯的铋层状结构，并且陶瓷为正交相结构。
27.图6为以上4个组分陶瓷在980nm激光激发下发射的可见荧光光谱。位于525nm和550nm处的两个绿色发射峰是由于2h
11/2
→4i
15/2
和4s
3/2
→4i
15/2
转换导致的。
28.选取荧光强度最优的x=0.10组分陶瓷，采用配备了控温装置的准静态d
33
测量仪和光纤光谱仪进行样品测试，具体方法如下：以每分钟5℃升温，并依次在300℃、350℃、400℃、450℃保温15分钟，测量陶瓷的绿色荧光峰强比、绿色荧光强度峰值以及压电系数，并将绿色荧光强度比值、绿色荧光强度峰值分别和工作温度、压电系数作一一对应，结果列于表2中；表2为不同工作温度下na
0.45
li
0.05
bi
2.5-x
er
x
nb2o
9 (x=0.10)陶瓷的绿色荧光强度比值、绿色荧光强度峰值以及压电系数的变化工作温度（℃）绿光强度比i
525
/i
550
绿光强度i
550
压电系数d
33
(pc/n)3001.07301027.43501.16268026.54001.28215025.34501.40153024.0以铁电体工作温度为横坐标，以绿色荧光强度比为纵坐标，绘制出温度与绿色荧光强度比的标准曲线，如图7所示。根据陶瓷的绿色荧光强度比在标准曲线上查出铁电体的工作温度。同时，以压电系数为横坐标，以绿色荧光强度峰值为纵坐标，绘制出绿色荧光强度峰值与压电系数的标准曲线，如图8所示。根据陶瓷的绿色荧光强度峰值在标准曲线上查出待测铁电体在高温下的压电系数d
33
值。li离子的引入可以降低陶瓷的烧成温度，减少陶瓷内部缺陷，有效提高其压电系数和绿色荧光强度。