一种高绝缘铁酸铋基高温压电玻璃陶瓷复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及压电玻璃陶瓷材料，具体是一种高绝缘铁酸铋基高温压电玻璃陶瓷复 合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 作为一种可实现机械能与电能相互转换的功能材料，特别是PZT基陶瓷材料具有 良好的压电和机电耦合性能，从而被广泛的应用于换能器、驱动器、超声马达、传感器等领 域。由于铅的污染问题及人类社会可持续发展，开发具有高的压电和机电耦合性能的绿色 环保型的无铅压电陶瓷材料成为近年来的研究热点。此外，随着航空航天、机械、建筑、汽车 等行业的振动与冲击测量对可靠性和降低噪音的要求，环境友好型高温压电材料逐渐成为 世界各国研究的重点。BiFe0 3(BF0)陶瓷具有优良的高温压电铁电性能，是最有希望得到应 用的无铅高温材料材料之一。然而，目前BF0基无铅压电陶瓷材料还存在诸多问题：如陶瓷 材料难以烧结，绝缘性差，漏电流较大，电极化强度较小，压电性能无法体现，因而限制了它 的应用。 近期发展起来的通过可控结晶技术制备的零孔隙率玻璃陶瓷复合材料已成为制备高 绝缘材料的重要发展方向之一。相比于传统的烧结压电陶瓷，玻璃陶瓷复合材料的显著特 点体现在：在保持优异的电性能的同时，该类材料的绝缘性，致密度更高，微观结构可控。因 此，采用该技术来制备BF0陶瓷，可显著提高致密度及绝缘性，有利于发挥其压电性能，拓 展其应用范围。 但是，目前还未见到BF0玻璃陶瓷及其制备方法的报道。主要困难在于玻璃体系的选 择及形核结晶的控制，导致BF0的玻璃形成能力及晶粒大小、形貌，含量难以控制。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是要提供高绝缘铁酸铋基高温压电玻璃陶瓷复合材料及其制备方 法，这种无铅玻璃陶瓷具有优异的压电性能及高温稳定性，退极化温度r d>600° c，机械品 质因数高，环境友好、成本低、易于工业化生产。 实现本发明目的的技术方案是： 一种高绝缘铁酸铋基高温压电玻璃陶瓷复合材料，其配方化学式为： BiFe03+i (20Bi203-30Si02-30Ca0-20Zr02)+0 . 02Sc203 或 BiFe03+x (35Bi203-30Si02-25Ca0-10Zr02) +0 . 05Sc203 其中x表示摩尔分数，〇<x〈〇. 2。 本发明高绝缘铁酸铋基高温压电玻璃陶瓷复合材料的其制备方法，包括如下步骤： (1)将原料按照化学式 BiFe03+i (20Bi203-30Si02-30Ca0-20Zr02)+0 . 02Sc203 或 BiFe03+x (35Bi203-30Si02-25Ca0-10Zr02) +0 . 05Sc203 其中X表示摩尔分数，OCKO. 2,进行配料，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后在 坩埚中以950-1100° C保温2小时形成均匀的玻璃液； (2) 将混合好的玻璃液快速深冷，然后加工成厚度约为1. 0_的薄片。 (3) 将制备好的薄片以Γ C/min的升温速率升温到450-580° C保温24小时形核， (4) 以Γ C/min的升温速率升温到620-820° C保温72小时析晶，缓冷至650° C保 温42小时，取出快速冷却； (5) 披银电极，然后在硅油中极化，极化电场8kV-20kV/mm，温度100-150° C，时间30 分钟。保持电场冷却至室温后撤去电场，取出样品。样品按IRE标准对制成的压电陶瓷进 行压电性能测量。 本发明采用在玻璃中形核结晶制备高温玻璃陶瓷技术，即控制了微观结构（特别是晶 粒大小），又获得很高的致密度，显著提高BiFe03的绝缘性能，可在高电场下极化，充分发挥 其压电性能及高温性能。本发明制备工艺简单、稳定，适合工业推广应用。本发明的玻璃陶 瓷组成是一种绿色环保型压电陶瓷，高温稳定性好，退极化温度r d>600° C，绝缘性能好，机 械品质因数高，在高温压电传感器具有很好的应用前景。
【具体实施方式】
[0004] 实施例1 : 成分为：BiFe03+i (20Bi203-30Si02-30Ca0-20Zr02)+0 . 02Sc203,其中 χ=0· 10。 制备方法包括如下步骤： 以分析纯 Bi203、Fe203、Sc20 3、CaC03、Si02、Zr02 和 Ti02 为原料，按照以下化学式 BiFe03+i (20Bi203-30Si02-30Ca0-20Zr02)+0 . 02Sc203 (x=0. 10)进行配料，以无水乙醇为介质湿磨 24 小时，烘干。 干燥后在坩埚中以1020° C保温2小时形成均匀的玻璃液，液快速深冷，然后加工成厚 度约为1. Omm的薄片。 将制备好的薄片以1° C/min的升温速率升温到500° C保温24小时形核，然后以 Γ C/min的升温速率升温到760° C保温72小时析晶，缓冷至650° C保温42小时，取出 快速冷却； (5)披银电极，然后在硅油中极化，极化电场15kV/mm，温度120° C，时间30分钟。保 持电场冷却至室温后撤去电场，取出样品。样品按IRE标准对制成的压电陶瓷进行压电性 能测量。 性能如表1所示。 实施例2 : 成分为：BiFe03+i (20Bi203-30Si02-30Ca0-20Zr02)+0 . 02Sc203,其中 χ=0· 15。 制备方法同实施例1，不同的是，玻璃熔炼温度950° C，形核温度480° C，析晶温度 730° C，极化电场 18kV/mm。 性能如表1所示。 实施例3 : 成分为：BiFe03+i (20Bi203-30Si02-30Ca0-20Zr02) +0· 02Sc203,其中 χ=0· 05。 制备方法同实施例1，不同的是，玻璃熔炼温度1100° C，形核温度580° C，析晶温度 820° C，极化电场 12kV/mm。 性能如表1所示。 实施例4 : 成分为：BiFe03+i(35Bi203-30Si02-25Ca0-10Zr0 2) +0 . 05Sc203,其中 χ=0· 18。 制备方法同实施例1，不同的是，玻璃熔炼温度960° C，形核温度560° C，析晶温度 750° C，极化电场 19kV/mm。 性能如表1所示。 实施例5 : 成分为：BiFe03+i (35Bi203-30Si02-25Ca0-10Zr02) +0· 05Sc203,其中 χ=0· 08。 制备方法同实施例1，不同的是，玻璃熔炼温度1010° C，形核温度500° C，析晶温度 730° C，极化电场 10kV/mm。 性能如表1所示。 实施例6 : 成分为：BiFe03+i(35Bi203-30Si02-25Ca0-10Zr0 2) +0 . 05Sc203,其中 χ=0· 15。 制备方法同实施例1，不同的是，玻璃熔炼温度9750° C，形核温度490° C，析晶温度 710° C，极化电场 16kV/mm。 实施例1-6所得产品的性能如表1所示。 表1实施例样品的电性能
通过上面给出的实施例，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。
【主权项】
1. 一种高绝缘铁酸铋基高温压电玻璃陶瓷复合材料，其特征是：组成通式为： BiFe03+i (20Bi203-30Si02-30Ca0-20Zr02)+0 . 02Sc203 或 BiFe03+x (35Bi203-30Si02-25Ca0-10Zr02) +0 . 05Sc203 其中x表示摩尔分数，〇<x〈〇. 2。2. 如权利要求1的高绝缘铁酸铋基高温压电玻璃陶瓷复合材料的制备方法，其特征 是： (1) 将原料按照化学式 BiFe03+i (20Bi203-30Si02-30Ca0-20Zr02)+0 . 02Sc203 或 BiFe03+x (35Bi203-30Si02-25Ca0-10Zr02) +0 . 05Sc203 其中x表示摩尔分数，0CK0. 2,进行配料，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后在 坩埚中以950-1100° C保温2小时形成均匀的玻璃液； (2) 将混合好的玻璃液快速深冷，然后加工成厚度约为1. 0_的薄片； (3) 将制备好的薄片以Γ C/min的升温速率升温到450-580° C保温24小时形核； (4) 以Γ C/min的升温速率升温到620-820° C保温72小时析晶，缓冷至650° C保 温42小时，取出快速冷却； (5) 披银电极，然后在硅油中极化，极化电场8kV-20kV/mm，温度100-150° C，时间30 分钟；保持电场冷却至室温后撤去电场，取出样品。
【专利摘要】本发明公开了一种高绝缘铁酸铋基高温压电玻璃陶瓷复合材料及其制备方法，成分以通式BiFeO3+<i>x</i>(20Bi2O3-30SiO2-30CaO-20ZrO2)+0.02Sc2O3或BiFeO3+<i>x</i>(35Bi2O3-30SiO2-25CaO-10ZrO2)+0.05Sc2O3来表示，其中<i>x</i>表示摩尔分数，0<<i>x</i><0.2。本发明采用在玻璃中形核结晶制备玻璃陶瓷复合材料技术，即可控制微观结构，又获得很高的致密度。本发明制备工艺简单、稳定，适合工业推广应用。本发明的玻璃陶瓷组成是一种绿色环保型复合材料，绝缘性高，漏电流低，可在高电场下高温极化，高温压电性能优良，退极化温度<i>T</i>d>600°C，机械品质因数高于600，在高温压电传感器具有很好的应用前景。
【IPC分类】C04B35/622, C04B35/26
【公开号】CN105503164
【申请号】CN201410548546
【发明人】周昌荣, 曾卫东, 杨玲, 陈国华, 袁昌来, 杨华斌, 周沁
【申请人】桂林电子科技大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2014年10月16日