La₂Ti₂O₇或其固溶体材料在高温压电传感器中的应用及其制备的传感器的制造方法

La₂Ti₂O₇或其固溶体材料在高温压电传感器中的应用及其制备的传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了La2Ti2O7或其固溶体材料在高温压电传感器中的应用及其制备的传感器，属于高温压电传感器领域，目的在于解决现有的高温压电传感器大多以锆钛酸铅为基材，其中的铅会导致环境污染，且使用温度在300℃以内，而以钛酸铋钠体系铁电材料为基材的高温压电传感器的使用温度也仅仅为300℃左右，具有一定限制的问题。本发明首次将La2Ti2O7铁电陶瓷以及其固溶体材料这一类高稳定性铁电材料用作高温压电传感器的基材，且本发明制备的传感器的使用范围为0℃到350℃，极大的拓展了高温压电传感器的使用温度，有效增加了其应用范围。同时，本发明的La2Ti2O7及其固溶体材料中，不含有铅，因而具有对环境友好的特点，能有效避免对环境的污染。
【专利说明】
La2T i 2〇7或其固溶体材料在高温压电传感器中的应用及其制 备的传感器
技术领域
[0001] 本发明涉及高温压电传感器领域，具体为La2Ti207或其固溶体材料在高温压电传 感器中的应用及其制备的传感器。
【背景技术】
[0002] 压电传感器作为传感器领域的最重要的分支之一，其具有特有的压电效应。压电 效应包括正压电效应、反压电效应;其中，正压电效应是指材料在压力作用下，表面产生电 荷的现象;反压电效应是指对材料施加外电压，材料形状发生变化的现象。图1中给出了正 压电效应的工作原理示意图，图2中给出了反压电效应的工作原理示意图。压电传感器能将 机械信号和电信号相互转换，因此，其在监测和控制领域有着非常广泛的应用。
[0003] 在压力传感器中，由于高温压力传感器具备优良的高温工作能力，因而一直受到 高度重视，是传感器研究的重要领域之一，也是各国政府努力掌握的高科技技术之一。在石 油、化工、采矿、风力发电、核电站、冶金、汽车、航空航天、工业过程控制和兵器工业等领域， 高温压力传感器都有着广阔的应用前景，例如：高温压力传感器可用于高温油井内的压力 测量，各种发动机腔体内的压力测量，宇宙飞船和航天飞行器的姿态控制，高速飞行器或远 程超高速导弹的飞行控制，喷气发动机、火箭、导弹、卫星等耐热腔体和表面各部分的压力 测量。
[0004] 目前，工业上使用的高温压电传感器大多采用锆钛酸铅(PZT)为基材。而PZT中的 铅会导致严重的环境污染，且锆钛酸铅铁电材料的使用温度大都在300°C以内。钛酸铋钠体 系的铁电材料也可用作高温传感材料，但其最高使用温度也仅仅为300°C左右。
[0005] 为此，迫切需要一种新的材料，以满足高温压电传感器的应用需求。

【发明内容】

[0006] 本发明的发明目的在于:针对现有的高温压电传感器大多以锆钛酸铅为基材，其 中的铅会导致环境污染，且使用温度在300°C以内，而以钛酸铋钠体系铁电材料为基材的高 温压电传感器的使用温度也仅仅为300°C左右，具有一定限制的问题，提供一种La 2Ti207或 其固溶体材料在高温压电传感器中的应用及其制备的传感器。本发明首次将La 2Ti207铁电 陶瓷以及其固溶体材料(La2- XAXT i 2〇7，A = Ce，Pr，Nd)这一类高稳定性铁电材料用作高温压 电传感器的基材，且本发明制备的传感器的使用范围为〇°C到350°C，极大的拓展了高温压 电传感器的使用温度，有效增加了其应用范围。同时，本发明的La 2Ti207及其固溶体材料中， 不含有铅，因而具有对环境友好的特点，能有效避免对环境的污染。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] La2Ti2〇7或其固溶体材料在高温压电传感器中的应用，所述La2Ti 2〇7固溶体材料为 La2-xAxTi2〇7,所述A为Ce、Pr、Nd中的一种或多种，所述x的范围为0~0.35。
[0009] 所述x的范围为0.001~0.35。
[0010] 所述X的范围为0.05~0.35。
[0011] 所述x的范围为0.10~0.33。
[0012] 采用La2Ti207或其固溶体材料制备的传感器，包括基体、设置在基体两侧的电极， 所述基体为La 2Ti2〇7或La2Ti2〇7固溶体，所述La2Ti 2〇7固溶体材料为La2-xAxTi2〇7，A为Ce、Pr、 Nd中的一种或多种，所述x的范围为0~0.35。
[0013] 所述x的范围为0.001~0.35。
[0014] 所述电极通过烧结方式与基体连接为一体。
[0015] 所述传感器的使用温度范围为0°C到350°C。
[0016]该传感器采用包括如下步骤的方法制备而成：
[0017] ⑴制备基体
[0018] 将La2Ti2〇7或其固溶体材料作为基体，所述La2Ti2〇7固溶体材料为La 2-xAxTi2〇7，A为 Ce、Pr、Nd中的一种或多种，所述x的范围为0~0.35;
[0019] ⑵电极烧结
[0020] 在步骤（1)的基体两面涂银电极，然后烧结，使银电极与基体紧密连接，烧结完成 后，降温后取出样品，即可。
[0021] 所述步骤(1)中，采用等离子体电火花烧结发制备晶粒织构化的La2Ti207铁电陶瓷 或者其固溶体陶瓷，所述La 2Ti2〇7固溶体陶瓷为La2-xAxTi 2〇7,将La2Ti2〇7或其固溶体材料作 为基体，所述基体的相对密度在98 %以上，所述晶粒定向程度在80 %以上。
[0022] 所述步骤(2)中，将步骤（1)的基体沿织构垂直方向切片，样品的厚度范围为0.1-0.3mm，然后在基体的两面涂银电极，再在500-600°C下烧结0.5~5h，至银电极与基体紧密 连接，降温到室温后取出样品，即可。
[0023] 针对前述问题，本发明提供La2Ti207或其固溶体材料在高温压电传感器中的应用 及其制备的传感器。
【申请人】通过研究发现，La 2Ti207这种具有类钙钛矿层状结构铁电材料具 有很高的居里相变温度(T。~1460°C )，其材料结构有着很好的温度稳定性。在研究过程中，
【申请人】惊奇地发现了 La2Ti2〇7及其固溶体材料的高温压电性能。为此，
【申请人】得到了本发明 的技术方案。
[0024] 为了验证本发明方案的可行性，
【申请人】设计了如下的实验步骤。
[0025] (1)制备基体
[0026] 利用等离子体电火花烧结技术或其他方法制备晶粒织构化的La2Ti207铁电陶瓷或 者其固溶体陶瓷(其分子式为La 2-xAxTi2〇7，A为&、？^制;0^^彡0.35)。陶瓷的相对密度大 于98%，晶粒定向程度利用1^^861'；[1^定向因子计算在80%以上。将制备的]^121'12〇7铁电陶 瓷或者其固溶体陶瓷作为基体。
[0027] (2)电极烧实
[0028] 把步骤（1)烧结好的陶瓷沿织构垂直方向切片，样品厚度在0.1 -0.3mm范围内，样 品尺寸为任意方便涂电极尺寸，样品两面涂银电极并经高温(烧结温度500-600°C，烧结时 间lh)烧实，降至室温，取出样品。
[0029] (3)陶瓷的极化储能
[0030]在150-200°C条件下，把步骤(2)制备的样品在外加直流高电场下极化lh，电场强 度为50-80kV/mm，使得铁电陶瓷电畴翻转极化(如图3所示）。
[0031] (4)高温压电性能测试
[0032] 把极化好的陶瓷放入高温箱内，测试其高温压电性能:把极化好的陶瓷片放入高 温压电常数测试仪器对其压电信号进行测试(如图4所示）。
[0033] 测试结果表明：La2Ti2〇7铁电陶瓷以及其固溶体材料(La2- xAxTi2〇7，A = Ce，Pr，Nd;0 <x<0.35)的压电常数能在350°C以下稳定存在，结果证明其能够作为压电传感器基材使 用。
[0034]综上所述，本发明首先利用La2Ti2〇7铁电陶瓷以及其固溶体(La2- xAxTi2〇7，A = Ce， Pr，Nd)这一类高稳定性铁电材料作为高温压电传感器基材，其在高温下，具有良好的压电 性能，实现了机-电信号转换，使用范围为〇°C~350°C。本发明能够用作高温器件（>300°C) 的传感器基材，极大拓展高温压电传感器的使用温度，有效增加其应用范围，具有广阔的应 用前景。同时，本发明的La 2Ti2〇7及其固溶体材料中，不含有铅，因而具有对环境友好的特 点，能有效避免对环境的污染。采用本发明制备的高温压电传感器可广泛应用于石油、化 工、采矿、风力发电、核电站、冶金、汽车、航空航天、工业过程控制和兵器工业等领域，具有 广阔的应用前景。
【附图说明】
[0035]本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0036]图1为正压电效应工作原理示意图。
[0037]图2为反压电效应工作原理示意图 [0038]图3为陶瓷极化示意图。
[0039] 图3中：1为陶瓷样品，2为银电极，3为直流高压电源。
[0040] 图4为样品测试示意图。
[0041] 图4中：1为加热炉，2为测试顶针与导线，3为测试样品，4为压电常数测试仪。
【具体实施方式】
[0042]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥 的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0043] 本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的 替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子 而已。
[0044] 实施例lLa2Ti2〇7织构铁电陶瓷的高温压电应用
[0045] 制备过程如下。
[0046] (1)利用等离子体电火花烧结技术制备晶粒织构化的La2Ti207铁电陶瓷。该陶瓷的 相对密度为99%，晶粒定向程度利用Lotgering定向因子计算为83%。
[0047] (2)把步骤（1)烧结好的陶瓷沿织构垂直方向切片，切片厚度为0.2mm，尺寸为5 X 5_。在切片两面涂银电极，电极尺寸为4.8 X4.8mm。再在高温600°C退火lh，降温到室温，取 出样品。
[0048] (3)将步骤(2)制备的样品在硅油中加热到200°C，保温15min。并在样品的两面加 55kV/mm电场，保持此条件1 h，使得铁电陶瓷电畴翻转极化。
[0049] (4)测试步骤(3)极化后的La2Ti207织构铁电陶瓷高温压电性能，测定结果如表1所 示。在350°C以内，其压电常数为2.4pC/N，并且一直稳定存在。
[0050] 表1实施例1的测定结果
[0052] 实施例2La2-xCexTi2〇7(x<0.2)织构铁电陶瓷的高温压电应用 [0053] 制备过程如下。
[0054] (1)利用等离子体电火花烧结技术制备晶粒织构化的La2-xCe xTi2〇7铁电陶瓷。陶瓷 的相对密度为98%，晶粒定向程度利用Lotgering定向因子计算为81%。
[0055] (2)把步骤(1)烧结好的陶瓷沿织构垂直方向切片，切片厚度为0.15_，尺寸为5 X 5_。在切片两面涂银电极，电极尺寸为4.8 X4.8mm。再在高温600°C下退火lh，降温到室温， 取出样品。
[0056] (3)将步骤(2)制备的样品在硅油中加热到150°C，保温15min。并在样品的两面加 60kV/mm电场，保持此条件lh。
[0057] (4)测试步骤(3)极化后的La2-xCexTi 207织构铁电陶瓷高温压电性能，测定结果如 表2所示。在350 °C以内，其压电常数为3.1 -3.3pC/N，并且一直稳定存在。
[0058]表2实施例2的测定结果
[0060] 实施例3La2-xPrxTi2〇?(x<0.35)织构铁电陶瓷的高温压电应用 [0061 ] 制备过程如下。
[0062] (1)利用等离子体电火花烧结技术制备晶粒织构化的La2-xPr xTi207铁电陶瓷。陶瓷 的相对密度为99%，晶粒定向程度利用Lotgering定向因子计算为80%。
[0063] (2)把步骤（1)烧结好的陶瓷沿织构垂直方向切片，切片厚度为0.3mm，尺寸为4.5 X 4.5_。在切片两面涂银电极，电极尺寸为4.4X4.4mm。再在高温600 °C下退火lh，降温到 室温，取出样品。
[0064] (3)将步骤(2)制备的样品在硅油中加热到200°C，保温15min。并在样品的两面加 58kV/mm电场，保持此条件lh。
[0065] (4)测试步骤(3)极化后的La2-xPrxTi 207织构铁电陶瓷高温压电性能，测定结果如 表3所示。在350°C以内，其压电常数为2.9-3.4pC/N，并且一直稳定存在。
[0066] 表3实施例3的测定结果
[0067]
[0068] 实施例4La2-xNdxTi2〇7(x<0.3)织构铁电陶瓷的高温压电应用 [0069] 制备过程如下。
[0070] (1)利用等离子体电火花烧结技术制备晶粒织构化的La2-xNdxTi 207铁电陶瓷。陶瓷 的相对密度为98%，晶粒定向程度利用Lotgering定向因子计算为85%。
[0071 ] (2)把步骤(1)烧结好的陶瓷沿织构垂直方向切片，切片厚度为0.25_，尺寸为4 X 4mm。在切片样品两面涂银电极，电极尺寸为3.9 X3.9_。再在高温600°C下退火lh，降温到 室温，取出样品。
[0072] (3)将步骤(2)制备的样品在硅油中加热到200°C，保温15min。并在样品的两面加 61kV/mm电场，保持此条件lh。
[0073] (4)测试步骤(3)极化后的La2-xNdxTi20 7织构铁电陶瓷高温压电性能，测定结果如 表4所示。在350 °C以内，其压电常数为2.6-2.8pC/N，并且一直稳定存在。
[0074] 表4实施例4的测定结果
[0077]本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的 新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【主权项】
1. La2Ti2O7或其固溶体材料在高温压电传感器中的应用，其特征在于，所述La 2Ti2O7固 溶体材料为La2-xA xTi 2〇7，所述A为Ce、Pr、Nd中的一种或多种，所述X的范围为0~0.35。2. 根据权利要求1所述La2Ti2O7或其固溶体材料在高温压电传感器中的应用，其特征在 于，所述X的范围为0.001~0.35。3. 根据权利要求2所述La2Ti2O7或其固溶体材料在高温压电传感器中的应用，其特征在 于，所述X的范围为0.05~0.35。4. 根据权利要求3所述La2Ti2O7或其固溶体材料在高温压电传感器中的应用，其特征在 于，所述X的范围为〇. ΠΜ).33。5. 采用La2Ti2O7或其固溶体材料制备的传感器，其特征在于，包括基体、设置在基体两 侧的电极，所述基体为La 2Ti2O7或La2Ti2O 7固溶体，所述La2Ti2O7固溶体材料为La2- XAXT i2〇7，A 为Ce、Pr、Nd中的一种或多种，所述x的范围为0~0.35。6. 根据权利要求5所述传感器，其特征在于，所述电极通过烧结方式与基体连接为一 体。7. 根据权利要求5~6任一项所述传感器，其特征在于，所述传感器的使用温度范围为0 。(:到350°C。8. 根据权利要求5~7任一项所述传感器，其特征在于，该传感器采用包括如下步骤的方 法制备而成： (1) 制备基体 将La2Ti2O7或其固溶体材料作为基体，所述La2Ti 2O7固溶体材料为La2-xAxTi 2〇7，A为Ce、 Pr、Nd中的一种或多种，所述X的范围为0~0.35; (2) 电极烧结 在步骤(1)的基体两面涂银电极，然后烧结，使银电极与基体紧密连接，烧结完成后，降 温后取出样品，即可。9. 根据权利要求5~8任一项所述传感器，其特征在于，所述步骤（1)中，采用等离子体电 火花烧结发制备晶粒织构化的La2Ti 2O7铁电陶瓷或者其固溶体陶瓷，所述La2Ti2O 7固溶体陶 瓷为La2-xAxTi2〇7，将La 2Ti2O7或其固溶体材料作为基体，所述基体的相对密度在98%以上，所 述晶粒定向程度在80%以上。10. 根据权利要求8所述传感器，其特征在于，所述步骤(2)中，将步骤（1)的基体沿织构 垂直方向切片，样品的厚度范围为0.1-0.3 mm，然后在基体的两面涂银电极，再在500-600 °C下烧结0.5~5h，至银电极与基体紧密连接，降温到室温后取出样品，即可。
【文档编号】C04B35/462GK105957958SQ201610286769
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】高志鹏, 杨佳, 刘艺, 韩旭, 谷伟, 谢庆海, 王海晏
【申请人】中国工程物理研究院流体物理研究所