本发明涉及可在高温领域应用的无铅压电陶瓷材料，具体是一种铁酸铋-钛酸钡-锌钛酸铋-铝酸铋高温无铅压电陶瓷及其制备方法。
背景技术：
：高温压电陶瓷作为振动传感器被广泛应用于航天航空、核能、石油勘探等领域，bifeo3具有高的居里温度(830℃)和大的剩余极化强度，理论计算表明bifeo3具有良好的压电性能，但是bifeo3单独合成比较困难，极易在合成过程中生成富bi相bi24fe2o39和富fe相bi2fe4o9等杂项。通过在该体系中引入batio3与其形成bifeo3-batio3固溶体，可以有效地抑制杂项的产生，并通过添加mno2等元素抑制氧空位的产生提高电阻率，可以获得d33>170pc/n的bfbt陶瓷，但是batio3的引入使得烧结温度偏高，导致介电损耗增加，且batio3的居里温度只有120℃，使bifeo3-batio3体系的温度稳定性下降，去极化温度只能保持在td<500℃的范围。bi(ti0.5zn0.5)o3是一种具有高居里温度的四方相钙钛矿结构化合物，其与bifeo3可形成固溶体，根据理论计算，两者的固溶体在单斜相0.4bi(ti0.5zn0.5)o3-0.6bifeo3成分处的tc可以达到1227℃。但是bi(ti0.5zn0.5)o3的合成比较困难，容易产生杂项，需要在高温高压条件下合成。bialo3为三方相钙钛矿结构化合物，居里温度超过550℃，其从室温至550℃间没有任何相变，且具有非常高的温度稳定性，但是bialo3的合成也很困难，需要在高温高压下合成。技术实现要素：本发明的目的是提供一种铁酸铋-钛酸钡-锌钛酸铋-铝酸铋高温无铅压电陶瓷及其制备方法，采用本发明技术制备的压电陶瓷，居里温度可达到tc＝596℃，退极化温度达到td＝580℃，且压电常数达到137pc/n，该体系陶瓷有望应用在航天航空等高温压电振动传感器领域。实现本发明的技术方案是：一种铁酸铋-钛酸钡-锌钛酸铋-铝酸铋高温无铅压电陶瓷，其组成通式为：xbifeo3-ybatio3-zbi(ti0.5zn0.5)o3-tbialo3+mp+nmnco3+0.025bi2o3，其中x、y、z、t、m、n表示摩尔分数，p为ba(w0.5cu0.5)o3、cuo、li2co3中的一种或两种烧结助剂的组合，且0.6≤x≤0.8,0.15≤y≤0.3,0.05≤z≤0.15,0<t≤0.10,0<m≤0.1,0<n≤0.1。上述铁酸铋-钛酸钡-锌钛酸铋-铝酸铋高温无铅压电陶瓷的制备方法，包括如下步骤：(1)以分析纯tio2、baco3为原料，按照batio3的比例进行配料，将混合粉末以无水乙醇为介质球磨24小时，100℃/12小时在烘箱中烘干、过200目筛，放入高铝坩埚中压实加盖，再放入马弗炉中980℃保温6小时合成，并降温冷却至200℃以下后取出备用；(2)将步骤(1)合成的batio3与分析纯bi2o3、tio2、w2o3、zno、li2co3、cuo为原料，按照batio3-abi(ti0.5zn0.5)o3+cp的比例进行配料，其中p为烧结助剂ba(w0.5cu0.5)o3、li2co3、cuo中的一种或两种烧结助剂的组合，且0<a≤0.60,0<c≤0.1，将混合粉末以无水乙醇为介质球磨24小时，取出100℃/12小时在烘箱中烘干、过200目筛，放入高铝坩埚中压实加盖，再放入马弗炉中900℃-950℃保温4小时合成，并降温冷却至200℃以下后取出备用；(3)将步骤(1)合成的batio3与分析纯bi2o3、al2o3、li2co3、cuo为原料，按照batio3-bbialo3+dp的比例进行配料，其中p为烧结助剂ba(w0.5cu0.5)o3、li2co3、cuo中的一种或两种烧结助剂的组合，且0<b≤0.60,0<d≤0.1，将混合粉末以无水乙醇为介质球磨24小时，取出100℃/12小时在烘箱中烘干、过200目筛、放入高铝坩埚中压实加盖，再放入马弗炉中800℃-850℃保温4小时合成，并降温冷却至200℃以下后取出备用；(4)将bi2o3、fe2o3与步骤(2)合成的batio3-abi(ti0.5zn0.5)o3+cp以及步骤(3)合成的batio3-bbialo3+dp按照xbifeo3-ybatio3-zbi(ti0.5zn0.5)o3-tbialo3+mp+nmnco3+2.5％bi2o3进行配料，其中0.6≤x≤0.8,0.15≤y≤0.30,0.05≤z≤0.15,0<t≤0.10,0<m≤0.1,0<n≤0.1；其中2.5％mol的bi2o3为弥补烧结过程中bi元素的挥发，并作为烧结助剂促进烧结过程的进行，将混合粉末以无水乙醇为介质球磨24小时，100℃/12小时在烘箱中烘干、过200目筛，放入高铝坩埚中压实加盖，再放入密闭管式炉中通纯氧气以250℃/h的升温速率到780℃/4h合成xbifeo3-ybatio3-zbialo3+tbi(ti0.5zn0.5)o3+mp+nmnco3，保温4小时，并降温冷却至200℃以下后取出备用；(5)将步骤(4)合成的xbifeo3-ybatio3-zbi(ti0.5zn0.5)o3-tbialo3+mp+nmnco3+0.025bi2o3粉末以无水乙醇为介质进行二次球磨24小时，取出干燥，过200目筛；(6)将过筛后的粉末加入质量百分比浓度为的5％pva溶液造粒，在钢模中于100mpa下压制成型，模具内直径为1cm；(7)成型的素片放入马弗炉中以60℃/h的升温速率缓慢升温至600℃，保温24小时排胶；然后以20℃/min的升温速率快速升温到960-1000℃，保温120分钟后随炉冷却至室温；(8)将烧结样品抛光成两面光滑、厚度1mm的薄片，披银电极，650℃/30分钟烧银后备用；(9)将披银电极后的压电陶瓷片在硅油中极化，极化电场6000v/mm，极化温度150℃，时间30分钟，随后降温保持电场冷却至室温。为了获得致密的bifeo3-batio3-bi(ti0.5zn0.5)o3-bialo3固溶体陶瓷，采用先合成batio3主晶相，然后以其为“诱导剂”，将batio3与bi2o3、al2o3混合均匀，并以li2co3、cuo、ba(w0.5cu0.5)o3等作为烧结助剂，煅烧获得batio3-bialo3的钙钛矿结构固溶体；再采用同样的方法获得batio3-bi(ti0.5zn0.5)o3的钙钛矿结构固溶体，最后再将bi2o3、fe2o3与batio3-bialo3、batio3-bi(ti0.5zn0.5)o3复合形成bifeo3-batio3-bi(ti0.5zn0.5)o3-bialo3四元固溶体。采用该技术路线，充分利用了batio3的“结构诱导”作用，可以有效的避免合成bialo3和bi(ti0.5zn0.5)o3所需的高温高压条件以及抑制杂项的产生，将具有高居里温度的bifeo3与batio3-bialo3和batio3-bi(ti0.5zn0.5)o3形成固溶体，降低了batio3在整个体系中的成分比例含量，同时，还可以借助bialo3的三方结构和bi(ti0.5zn0.5)o3的四方相结构对该体系的相结构进行调控，获得具有高压电性能、高居里温度及高温稳定性的bifeo3-batio3-bi(ti0.5zn0.5)o3-bialo3四元无铅压电陶瓷。本发明的积极效果是：本发明采用具有高居里温度的bi(ti0.5zn0.5)o3、bialo3与bifeo3-batio3进行复合形成固溶体，以获得高居里温度和更高温度稳定性的压电陶瓷。其中采用batio3分别与bi2o3、tio2、zno、li2co3、cuo合成batio3-abi(ti0.5zn0.5)o3+cp以及batio3与bi2o3、al2o3、li2co3、cuo合成batio3-bbialo3+dp，充分利用了batio3的钙钛矿结构稳定bi(ti0.5zn0.5)o3及bialo3的钙钛矿结构，并利用添加烧结助剂促进主晶相的合成，抑制杂相的产生。采用此技术制备的xbifeo3-ybatio3-zbi(ti0.5zn0.5)o3-tbialo3高温压电陶瓷，居里温度可达到tc＝596℃，退极化温度达到td＝580℃，且获得了压电常数达到d33＝137pc/n的压电性能，从目前公开的文献资料看，尚未有关于xbifeo3-ybatio3-zbi(ti0.5zn0.5)o3-tbialo3体系有获得如此高压性能及温度稳定性的报道和相关专利，因此从技术上看，该技术具有重大突破和创新，并具有实用性。具体实施方式通过下面给出的实施例，可以进一步清楚的了解本发明的内容，但它们不是对本发明的限定。实施例1：成分：0.70bifeo3-0.20batio3-0.05bi(ti0.5zn0.5)o3-0.05bialo3+0.01li2co3+0.01mnco3+0.025bi2o3，制备方法包括如下步骤：(1)以分析纯tio2、baco3为原料，按照batio3的比例进行配料，将混合粉末以无水乙醇为介质球磨24小时，100℃/12小时在烘箱中烘干、过200目筛，放入高铝坩埚中压实加盖，再放入马弗炉中980℃保温6小时合成，并降温冷却至200℃以下后取出备用；(2)将步骤(1)合成的batio3与分析纯bi2o3、tio2、zno、li2co3为原料，按照1.0batio3-0.5bi(ti0.5zn0.5)o3+0.05li2co3的比例进行配料，将混合粉末以无水乙醇为介质球磨24小时，取出100℃/12小时在烘箱中烘干、过200目筛，放入高铝坩埚中压实加盖，再放入马弗炉中920℃保温4小时合成，并降温冷却至200℃以下后取出备用；(3)将步骤(1)合成的batio3与分析纯bi2o3、al2o3、li2co3为原料，按照1.0batio3-0.5bialo3+0.05li2co3的比例进行配料，将混合粉末以无水乙醇为介质球磨24小时，取出100℃/12小时在烘箱中烘干、过200目筛，放入高铝坩埚中压实加盖，再放入马弗炉中850℃保温4小时合成，并降温冷却至200℃以下后取出备用；(4)将bi2o3、fe2o3与步骤(2)合成的1.0batio3-0.5bi(ti0.5zn0.5)o3+0.05li2co3以及步骤(3)合成的1.0batio3-0.5bialo3+0.05li2co3按照0.70bifeo3-0.2batio3-0.05bialo3-0.05bi(ti0.5zn0.5)o3+0.01li2co3+0.01mnco3+0.025bi2o3进行配料，其中2.5％mol的bi2o3为弥补烧结过程中bi元素的挥发，并作为烧结助剂促进烧结过程的进行，将混合粉末以无水乙醇为介质球磨24小时，100℃/12小时在烘箱中烘干、过200目筛，放入高铝坩埚中压实加盖，再放入密闭管式炉中通纯氧气以250℃/h的升温速率到780℃保温4小时合成0.70bifeo3-0.20batio3-0.05bi(ti0.5zn0.5)o3-0.05bialo3+0.01li2co3+0.01mnco3+0.025bi2o3预烧粉末，并降温冷却至200℃以下取出备用；(5)将步骤(4)合成的预烧粉末以无水乙醇为介质进行二次球磨24小时，取出干燥，过200目筛；(6)将过筛后的粉末加入质量百分比浓度为的5％pva溶液造粒，在钢模中于100mpa下压制成型，模具内直径为1cm；(7)成型的素片放入马弗炉中以60℃/h的升温速率缓慢升温至600℃，保温24小时排胶；然后以20℃/min的升温速率快速升温到970℃，保温120分钟后随炉冷却至室温；(8)将烧结样品抛光成两面光滑、厚度1mm的薄片，披银电极，650℃/30分钟烧银后备用；(9)将披银电极后的压电陶瓷片在硅油中极化，极化电场6000v/mm，极化温度150℃，时间30分钟，保持电场并冷却至室温。性能测量结果如下：实施例2：成分0.725bifeo3-0.175batio3-0.075bi(ti0.5zn0.5)o3-0.025bialo3+0.01li2co3+0.01mnco3+0.025bi2o3，制备方法同实施例1，不同的是配方比例有所变化，且步骤(7)中烧结温度为960℃保温120分钟。性能测量结果如下：d33(pc/n)qmkp(％)εrtc(℃)td(℃)tanδ(％)13797.40.2931255965803.31实施例3：成分：0.75bifeo3-0.175batio3-0.05bi(ti0.5zn0.5)o3-0.025bialo3+0.006cuo+0.01mnco3+0.025bi2o3，制备方法同实施例1，不同的是配方有所变化，采用cuo，且步骤(7)中烧结温度为960℃保温120分钟。性能测量结果如下：d33(pc/n)qmkp(％)εrtc(℃)td(℃)tanδ(％)12693.60.2851335755604.07实施例4：成分：0.725bifeo3-0.15batio3-0.075bi(ti0.5zn0.5)o3-0.05bialo3+0.01mnco3+0.01ba(w0.5cu0.5)o3+0.025bi2o3，制备方法同实施例1，不同的是配方有所变化，采用ba(w0.5cu0.5)o3，且步骤(7)中烧结温度为960℃保温120分钟。性能测量结果如下：d33(pc/n)qmkp(％)εrtc(℃)td(℃)tanδ(％)13399.40.261065605253.82本发明所列举的成分的上下限、区间取值以及工艺参数的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施。当前第1页12