四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电陶瓷的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种压电陶瓷的制备方法，具体涉及一种四方相钛镁酸铋-钛酸铅基高温压电陶瓷的制备方法。
【背景技术】
[0002]压电材料可以实现机械能和电能之间的相互转换，是一类重要的功能材料，广泛应用于航空、能源、汽车制造、通信、家电、探测和计算机等诸多领域，是构成滤波器、换能器、传感器、压电变压器等电子元件的重要部件，已成为21世纪高新技术的主要研究方向之一。近十几年来，随着航天航空、石油化工、地质勘探、核能发电、汽车制造等工业的迅速发展，电子设备需要在更高的温度下工作，同时也对压电材料提出了更高的要求，不仅要求压电材料具有优异的性能，而且还要求压电材料具有更高的使用温度。例如用于汽车机罩内的振动传感器、表面控制和动态燃料注射喷嘴上的压电材料要求工作温度高达300°C，油井下使用的声波测井换能器工作温度也达到200-300°C。因此，现在工业中的很多场合要求压电材料必须在较高的温度下(> 400°C)不出现结构相变以保证不发生高温退极化现象而劣化压电器件的温度稳定性。
[0003]目前研究较多的高温高性能压电材料有钪酸铋-钛酸铅体系和钛镁酸铋钛酸铅等体系。但是钪酸铋-钛酸铅的制备原材料氧化钪的价格及其昂贵，从而使得钪酸祕-钛酸铅很难在工业上获得大规模的应用。钛镁酸祕-钛酸铅体系压电陶瓷在文献和专利(C.A.Randall, R.E.Eitel, B.Jones, and T.R.Shrout, J Appl Phys, 2004, 95, 3633 ；Q.Zhang, Z.Li, F.Li, Z.Xu, and X.Yao, J Am Ceram Soc, 2010, 93, 3330 ；CN 102336567A)中已经有所报道。但是其成分都集中在准同相界周围，即(l-x)Bi(Mg1/2Ti1/2)03-xPbTi0# X的值小于0.42，且其物相为三方相，未掺杂样品的居里温度在450°C以下，掺杂锰之后虽然有所提高，但是提高的幅度不大，只有520°C左右。也很难满足很多高温领域对材料使用温度的要求。
【发明内容】
[0004]本发明旨在克服现有钛镁酸铋钛酸铅体系压电陶瓷很难承受高温的性能缺陷，本发明提供了一种经历高温后仍具有较高压电性能的四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电陶瓷的制备方法。
[0005]本发明提供了一种四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电陶瓷的制备方法，所述四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电陶瓷的组成化学式为(1-X) Bi (Mg1/2Ti 1/2) O3-XPbT13，其中
0.50 ^ X ^ 0.90，所述方法包括:
1)按所述四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电陶瓷组成化学式中金属元素之间的摩尔比，称取金属氧化物粉末，其中，Bi的氧化物为Bi2O3, Mg的氧化物为MgO，Ti的氧化物为T12,Pb的氧化物为PbO和/或Pb3O4;
2)先将步骤I)称量金属氧化物粉末均匀混合后进行成型处理得到压电陶瓷素坯，然后将压电陶瓷素坯在1000-1200°C烧结得到块体陶瓷；
3)将步骤2)制备的块体陶瓷被覆上银电极或铂电极，在硅油中进行极化处理。
[0006]较佳地，0.55 ^ X ^ 0.70。
[0007]较佳地，0.58 ^ X ^ 0.64。
[0008]较佳地，所述金属氧化物粉末中还含有用于掺杂四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电陶瓷的Mn02、Cr2O3, CuO、Nb2O5, La2O3, N1和/或ZnO，掺杂的金属氧化物摩尔比不超过所述压电陶瓷中Bi和Pb元素摩尔之和的5%。
[0009]较佳地，所述金属氧化物粉末中还添加有粘结剂，粘结剂包括PVA、PVB,所述粘结剂质量为金属氧化物粉末的5-10wt%。
[0010]较佳地，通过在50-500MPa下、对原料粉末冷等静压压制或压片机压制得到所述压电陶瓷素坯。
[0011]较佳地，步骤2)中烧结时间为1-20小时，升温速率和降温速率为0.5_6°C /分钟。
[0012]较佳地，步骤3)中在硅油中极化20-40分钟，极化温度为25-150°C，极化电压为3-7KV/mm0
[0013]本发明的有益效果:
所制备的四方相的钛镁酸铋-钛酸铅基压电陶瓷，与通常制备的位于准同相界周围，即(1-x)Bi (Mg1/2Ti1/2) O3-XPbT13U ^ 0.42)相比，其使用温度有了大幅度的提高，从400°C以下，提高到600°C以上，提高了 200°C。对于0.55兰X兰0.70的优选成分，其使用温度甚至达到650°C。个别成分最优的样品在800°C的温度下退火后，其d33仍有100pC/N左右。此外，样品的介电损耗较小，小于3%，且温度稳定性好。本发明所涉及的材料能够满足很多高温领域同时对压电材料性能和使用温度和温度稳定性方面的要求。此外，此方法工艺设备简单，操作方便，能耗低，制备周期短，易于大规模生产，有利于实现工业化应用。
【附图说明】
[0014]图1示出了本发明的一个实施方式中制备的四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电陶瓷的XRD图谱。
【具体实施方式】
[0015]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0016]本发明公开了一种适用于高温领域的四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电陶瓷，其化学式为(1-X) Bi (Mg1/2Ti1/2) O3-XPbT13,其中 0.50 兰 x 兰 0.90。
[0017]优选地，0.55 刍 X 刍 0.70。
[0018]更有选地，0.58 ^ X ^ 0.64。
[0019]可以利用锰离子、铬离子、铜离子、铌离子、镧离子、镍离子以及锌离子等进行掺杂O
[0020]优选锰离子进行掺杂。
[0021]制备方法为:
步骤A)陶瓷粉体制备，首先制备成分为(1-x) Bi (Mg1/2Ti1/2) O3-XPbT13 (其中0.50 ^ X ^ 0.90)的粉体；
步骤B)制作坯料:在步骤A获得的粉体中加入一定量的PVA、PVB等粘结剂通过球磨机混合均匀后，在50-500MPa的压力下成型为坯料(素坯)；
步骤C)烧结:在成型后的坯料覆盖上相同成分的粉末，置入倒放的坩祸中，在1000-1150°C的温度下煅烧1-20小时得块体陶瓷；
步骤D)被电极和极化:将得到的块体加工成一定形状和尺寸后被覆上银电极或者铂电极，在硅油中极化20-40分钟，极化温度为25-150°C，极化电压为3_7KV/mm。
[0022]步骤A)中，还可利用 MnO2、Cr2O3、Cu。、Nb2O5、La2O3、N1 和 / 或 ZnO 等对(1-χ)Bi (Mg1/2Ti1/2) O3-XPbT13进行掺杂，掺杂量不超过(1-X)Bi (Mg 1/2Ti1/2) 03_xPbT13摩尔分数的5%。
[0023]步骤A)中，制备粉体的方法可以包括固相反应，溶胶凝胶，共沉淀等方法。
[0024]步骤B)中，所述的粘结剂的量为5-10wt %，优选6 % -7 %。
[0025]步骤B)中，所述的成型方法可以是冷等静压压制或压片机压制等方法。
[0026]步骤C)中烧结的升温速率和降温速率为0.5-6 0C /分钟。
[0027]本发明对钛镁酸铋-钛酸铅体系压电陶瓷的成分进行了进一步的拓展，使其成分较大的偏离准同相界区域，进入四方区域，获得了一种新的四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电陶瓷。其与准同相界周围成分，即(1-x)Bi (Mg1/2Ti1/2) O3-XPbT13(x ^ 0.42)的样品相比，使用温度大幅度的升高，使用温度高于600°C。对于0.55 f X 5 0.70的优选成分，其使用温度甚至达到650°C。个别成分最优的样品在800°C的温度下退火后，其d33仍有100pC/N左右。此外，样品的介电损耗较小，小于3%，且温度稳定性好。与准同相界附近的(1-x)Bi (Mg1/2Ti1/2) O3-XPbT13 (x ^ 0.42)相比，四方相钛镁酸铋-钛酸铅基压电陶瓷能够在更加广泛的场合下应用，这一系列的优势使得它在超声换能器、驱动器和传感器件等方面有着非常巨