專利名稱：一種高溫下穩(wěn)定使用的鉍層狀結(jié)構壓電陶瓷材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高溫下穩(wěn)定使用的鉍層狀結(jié)構壓電陶瓷材料及其制備方法，屬壓電陶瓷領域。
背景技術：
對振動量的檢測，幾乎涉及到每個工程領域。要檢測振動就必需測振傳感器，壓電加速度計是其中應用最廣、品種最多的傳感器之一。在火電發(fā)電機組、冶金軋鋼機和鋼板碾壓機、航空發(fā)動機、艦船高速柴油機和其它大型運轉(zhuǎn)設備等重要設備的振動檢測中，都離不開高溫壓電加速度計。其中使用量最多的是300℃～500℃的高溫壓電加速度計，其中航空系統(tǒng)需要的是480℃高溫壓電加速度計。但在國內(nèi)，目前尚無性能優(yōu)良、使用溫度高于300℃的高溫壓電傳感器產(chǎn)品。即使國外也只有美國Endevco公司、丹麥B&K公司和瑞士Kistler公司等極少數(shù)廠家能生產(chǎn)這類器件，因此價格十分昂貴，以致我國每年不得不花費大量的外匯從國外進口高溫壓電加速度計，用于少數(shù)關鍵設備的狀態(tài)檢測和監(jiān)控，而且這些公司經(jīng)常對我國實行嚴格的產(chǎn)品禁運和技術保密。
高溫壓電陶瓷材料是高溫壓電加速度計的基礎和核心元件。我國從70年代末就積極開展對高溫壓電加速度計的研究與開發(fā)，但因其中最為關鍵的核心元件-高溫壓電陶瓷材料的研究工作未取得實質(zhì)性突破，從而限制了高溫壓電加速度計向400℃以上的技術平臺發(fā)展。這對壓電陶瓷材料提出了較高的要求(1)在高溫下具有較高的體電阻率；(2)在高溫下具有一定高的壓電性(通常d33≥10pc/N)；(3)電容隨溫度的變化小，具有優(yōu)良的性能溫度穩(wěn)定性。為了滿足實際應用提出的更高要求，我們對材料進行了更加深入的研究。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可在高溫下穩(wěn)定使用的壓電陶瓷材料。在設計配方時，綜合考慮一下幾個因素1、對A位采用(Na，Bi)復合置換部分的Ca2+；2、減少Ca2+含量，形成A位Ca2+離子缺位；3、對B位采用Nb5+、W6+等高價離子取代Ti4+；4、外加CeO2、Sb2O3和CoO中的一種或幾種復合添加物；5、工藝的改進。
具體制備方法是以Ca(OH)2(化學純)、Bi2O3(高純)、TiO2(電容器規(guī)格)、Na2CO3(化學純)、CoO(化學純)、Sb2O3(化學純)、CeO2(化學純)、Nb2O5(工業(yè)純)、WO3(化學純)為原料，按Ca1-x-a(NaBi)x/2BiTi4-y-zNbyW2O15+bmol％CeO2+cmol％Sb2O3+dmol％CoO的化學計量稱量，其中0.0≤x≤0.8，0.0≤y≤0.8，0.0≤z≤0.8，0.0 ≤a≤0.2，0.0≤b≤5，0.0 ≤c≤2.0，0.0≤d≤2.0，用酒精作為介質(zhì)，經(jīng)行星球磨1～6小時，然后700-900℃/1-4小時的敞開粉末合成，再經(jīng)行星細磨、烘干、加粘結(jié)劑、成型(成型壓力為150～200MPa)、排塑(800℃/1小時)、燒結(jié)(1000～1350℃/1～4小時)、冷加工、超聲清洗、上電極、極化(80～200℃，6～16kv/mm，10～30分鐘、最后進行性能測試，即可得到供使用的壓電陶瓷元件。
本發(fā)明的效果是獲得了一種介電常數(shù)ε33T/ε0＝130±10，介電損耗tanδ≤0.10％，居里溫度Tc＝782℃，壓電系數(shù)d33＝19±1pC/N，體電阻率ρv(4N)℃)＝1×109Ω·cm的高溫高穩(wěn)定性壓電陶瓷材料。
表1為本發(fā)明陶瓷元件在熱處理后電容量C和壓電系數(shù)d33的變化。
表1
從表1可以看出本發(fā)明陶瓷元件經(jīng)過長時間的高溫處理，電容量C和壓電系數(shù)d33幾乎沒有變化，且本發(fā)明陶瓷材料在高溫(480℃)下的體電阻率達到1×109Ω·cm，是一種很好的高溫傳感器用壓電陶瓷材料。
表2為上海硅酸鹽研究所(核心元件使用本專利材料)和美國Endevco公司壓電傳感器探頭性能對比表。
表2
圖1為本專利材料的介電溫譜曲線。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施例如下以Ca(OH)2(化學純)、Bi2O3(高純)、TiO2(電容器規(guī)格)、Na2CO3(化學純)、CoO(化學純)、Sb2O3(化學純)、CeO2(化學純)、Nb2O5(工業(yè)純)、WO3(化學純)為原料，按Ca1-x-a(NaBi)x/2BiTi4-y-zNbyWzO15+bmol％CeO2+cmol％Sb2O3+dmol％CoO的化學計量稱量，當x＝0.12、0.10、0.08、0.12、0.10、0.08；y＝0.06、a＝0.01、b＝0.5、c＝0.4、d＝0.6；z＝0.05、0.05、0.05、0.1、0.1、0.1分別進行配料，用酒精作為介質(zhì)，經(jīng)行星球磨1～6小時，然后700-900℃/1-4小時的敞開粉末合成，再經(jīng)行星細磨、烘干、加粘結(jié)劑、成型(成型壓力為150～200MPa)、排塑(800℃/1小時)、燒結(jié)(1000～1350℃/1～4小時)、冷加工、超聲清洗、上電極、極化(80～200℃，6～16kv/mm，10～30分鐘)、最后進行性能測試，即可得到供使用的壓電陶瓷元件。
表3列出了本實施例的配方及結(jié)果。
表3
權利要求
1.一種高溫下穩(wěn)定使用的鉍層狀結(jié)構壓電陶瓷材料，其配方為Ca1-x-a(NaBi)x/2BiTi4-y-zNbyWzO15+bmol％CeO2+cmol％Sb2O3+dmol％CoO，其中0.0≤x≤0.8，0.0≤y≤ 0.8，0.0≤z≤0.8，0.0≤a≤0.2，0.0≤b≤5，0.0≤c≤2.0，0.0≤d≤2.0。
2.按權利要求1所述的一種高溫下穩(wěn)定使用的鉍層狀結(jié)構壓電陶瓷材料，其特征在于對A位采用Na，Bi復合取代部分Ca2+。
3.按權利要求1所述的一種高溫下穩(wěn)定使用的鉍層狀結(jié)構壓電陶瓷材料，其特征在于減秒Ca2+含量，形成A位Ca2+離子缺位。
4.按權利要求1-3之一所述的一種高溫下穩(wěn)定使用的鉍層狀結(jié)構壓電陶瓷材料的制備方法，包括球磨工藝、合成、燒結(jié)、極化等工藝，其特征在于(1)采用行星球磨工藝；(2)敞開煅燒粉末合成；(3)燒結(jié)溫度為1000-1350℃，保溫0.5-4小時。(4)極化條件溫度80-200℃，電壓6-16kV/mm，時間10-30分鐘。
5.按權利要求1-3之一所述的一種高溫下穩(wěn)定使用的鉍層狀結(jié)構壓電陶瓷材料的制備方法，包括球磨工藝、合成、燒結(jié)、極化等工藝，其特征在于合成粉末條件為700-900℃煅燒1-4小時。
全文摘要
一種在高溫下穩(wěn)定使用的鉍層狀結(jié)構壓電陶瓷材料及其制備方法，屬壓電陶瓷領域。鉍層狀結(jié)構型壓電陶瓷材料的化學通式為Bi
文檔編號C04B35/475GK1994966SQ20061014789
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月25日 優(yōu)先權日2006年12月25日
發(fā)明者李玉臣, 包紹明, 周志勇, 姚烈, 董顯林 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所