一种高温无铅压电陶瓷复合物及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于陶瓷材料领域，具体涉及一种高温无铅压电陶瓷复合物及其制备方法 和应用。
【背景技术】
[0002] 高温压电陶瓷材料被广泛应用于航空、航天、核能、发电等众多重要的科研和工 业部门，如油井下使用的声波测井换能器工作温度达到200-300°C;在汽车中工作的动态 燃料注射喷嘴工作温度高达300°C;用于航空器引擎的振动控制（>500°C);焊接管道的 无损探伤（>370°C);高温涡街流量计（>170°C)等领域（文海，王晓慧，赵巍，王浩，李龙 土，桂治轮，高温压电陶瓷研宄进展，硅酸盐学报，2006, 34 (11) : 1367-1373 ;侯育冬，崔磊， 王赛，王超，朱满康，严辉，BiA103基高温无铅压电陶瓷的研宄进展，无机材料学报，2010， 25[3]:225-229；XiaoliTan,WeiHu，Highcurietemperatureternarypiezoelectric ceramics，2012. 6. 14，UnitedStatesPatent，US2012/0145943A1 ;刘军凯，高居里温度 压电材料研宄进展，压电与声光，2012,34[1]: 100-105)。但是发展至今，能够长期使用在 350°C以上高温的压电陶瓷仍然较少，并且性能随温度升高恶化而导致失效，因此探索新型 高温压电材料在工业上有着重要的应用价值。
[0003] 文献报道了许多居里温度超过500°C的铋层状结构的压电陶瓷（P.Ferrer，M. Alguer'o,J.E.Iglesias,A.Castro,Processinganddielectricpropertiesof Bi4Srn_3Tin0 3n+3(n= 3, 4and5)ceramicsobtainedfrommechanochemicallyactivated precursors[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety, 2007,27:3641 - 3645.)，是 一类最好的高温压电材料。但是这类压电陶瓷在较高温度下，其压电活性退化较大，难以在 300°C以上应用。
[0004]Sr2Bi4Ti5018 (SBT)和Ca2Bi4Ti5018 (CBT)是典型的铋层状结构无铅压电陶瓷 材料。SBT具有较好的压电活性，压电常数d33达到26pC/N，但是其居里温度相对较 低，仅为267 °C。CBT具有的居里温度达到775 °C，但是其压电活性较低，压电常数d33 只有8. 83pC/N，而且该材料的矫顽场较高，难以极化（C.Moure,V.Gil,J.Tartaj，P. Dur'an,Crystallinestructure,dielectricandpiezoelectricpropertiesof bismuth-layerCaxBi4Ti3+x012+3x(x= 1, 2)compounds[J].JournaloftheEuropean CeramicSociety,2005,25:2447 - 2451)。Horiuchi等研宄了 51^14115018-〇3281411 5018体 系，但通过掺杂改性后，常规制备方法的陶瓷，其压电常数d33最大仅为26pC/N，难以在高温 下应用（S.Horiuchi,H.Nagata,T.Takenaka,Ferroelectrics, 2005, 324:3 - 9)。国内外都 投入了大量的人力与物力开展高温压电陶瓷的研宄与开发，并取得了进步。但能够实际应 用的仍然很少，因此发展新的高温无铅压电陶瓷势在必行。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一是为解决现有压电陶瓷难以在高温下长时间使用的问题，提供 一种高温无铅压电陶瓷复合物及其制备方法和应用。
[0006] 本发明提供一种高温无铅压电陶瓷复合物，具有以下通式： SrhCaxNao.sBiuTiAs+lot%Ce02，其中 0 彡x彡 1。
[0007] 进一步的，所述高温无铅压电陶瓷复合物晶胞参数a，b满足0.995S(b/ a)彡 1. 04。
[0008] 进一步的，所述高温无铅压电陶瓷复合物350°C高温时，仍然保持其室温时的压电 性能，当温度达到450°C高温时，仍然保持其室温时75%的压电活性。
[0009] 进一步的，所述高温无铅压电陶瓷复合物居里温度可在586-624°C之间调节。
[0010] 进一步的，所述高温无铅压电陶瓷复合物压电常数d33= 24至31pc/N。
[0011] SrhCaJa^BUiAs外加1 Ce02后仍然形成的铋层状结构的连续固溶体， 具有单一的赝四方结构。
[0012] 该无铅压电陶瓷复合物的制备工艺采用传统的固相合成法，过程如下：
[0013] 1?选取碳酸锶（SrC03)，碳酸钙（CaC03)，碳酸钠（Na2C03)，三氧化二铋（Bi203)，二 氧化钛（Ti02)，二氧化铈（Ce02)为原材料；
[0014] 2?按照所制备SiVxCaxNaQ.sBiuTigO^+lwt%Ce02(x=0-1)材料的化学通式的化 学计量比分别称取SrC03, Na2C03, CaC03,Bi203,Ti02,CeO^材料后，以无水乙醇为球磨介质， 球磨12h混合原料；
[0015] 3.将混好的原料取出烘干后，于750-900°C保温2h预合成；
[0016] 4.预合成后，以去离子水为球磨介质再球磨8h后，取出烘干，加入5_8wt%PVB或 PVA粘结剂造粒得到流动性好的颗粒，在230MPa压力下干压成型为直径12mm厚度为1mm的 陶瓷胚体；
[0017] 5.将坯体在500-850°C保温lh排塑，然后在1180°C烧结保温2h，得到致密的陶瓷 样品；
[0018] 6.烧成后的陶瓷样品经打磨、抛光、被敷银电极，然后在720°C保温20min烧银， 在180°C硅油内极化（MS2671A耐压测试仪，南京民威电子仪器有限公司），极化电压为 3-10kV/mm，极化时间为 15_30min。
[0019] 前述SiVxCaxNaQ.sBiuTigO^+lwt%Ce02(x= 0-1)系压电陶瓷材料的制备方法，所 述的"球磨"使用的球磨机可以为行星球磨机、砂磨机或工业用陶瓷粉体混料装置均能达到 预期效果，如使用江苏省启东市宏宏仪器设备厂生产的KEQ型变频全方位行星式球磨机， 南京科析实验仪器研宄所生产的XQM-1L行星式球磨机，上海儒特机电设备有限公司生产 的RT001型卧式砂磨机，上海凯日机械制造有限公司生产的ZSH混料机等均可。
[0020] 本发明再提供一种压电元件，包括上述高温无铅压电陶瓷复合物。
[0021] 本发明的有益效果在于：本发明的高温无铅压电陶瓷复合物，高温耐受性好，能够 长时间在高温条件下工作，压电活性不易退化，适用于制备高温高频压电器件，例如可应用 在油井下使用的声波测井换能器、汽车中工作的动态燃料注射喷嘴、焊接管道的无损探伤 高温涡街流量计等高温领域。本方法操作简便，制备条件易达到，产率高，可靠性好，适于工 业化生产。
【附图说明】
[0022] 图1所示为本发明高温无铅压电陶瓷复合物的XRD图谱；
[0023] 图2所示为本发明高温无铅压电陶瓷复合物