CN105924155A - 无铅压电陶瓷材料和无铅压电元件 - Google Patents

无铅压电陶瓷材料和无铅压电元件 Download PDF

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Abstract

本公开涉及无铅压电陶瓷材料和无铅压电元件。在一些实施例中,无铅压电陶瓷材料包括:基体材料,该基体材料为铋层状化合物,并且该基体材料中掺杂有组分铌和组分铈的至少一种。根据本公开的无铅压电陶瓷材料和无铅压电元件,能够适合高温和高频环境的使用。

Description

无铅压电陶瓷材料和无铅压电元件
技术领域
本公开涉及电子陶瓷材料,尤其涉及铋层状无铅压电陶瓷材料和压电元件。
背景技术
随着科学技术的发展,很多工业设备对压电器件的使用范围和使用条件要求越来越苛刻,在大功率超声器件、高温物体超声波、高温物体的振动、加速度和压力测定都必须选用高温压电材料。目前,国内外可用于高温(大于400℃)环境的压电陶瓷材料主要采用铋层状结构无铅压电陶瓷,然而,传统的铋层状结构无铅压电陶瓷材料的压电活性随温度的漂移较大,不适用于高温工作环境。
发明内容
根据本公开的一方面,提供一种无铅压电陶瓷材料,包括基体材料,该基体材料为铋层状结构化合物,并且该基体材料中掺杂有组分铌和组分铈中的至少一种。
根据本公开的另一方面,提供一种无铅压电元件,包括无铅压电陶瓷材料,其中,无铅压电陶瓷材料包括基体材料,该基体材料为铋层状结构化合物,并且该基体材料中掺杂有组分铌和组分铈中的至少一种。
根据本公开的铋层状无铅压电陶瓷材料和无铅压电元件,在高温条件下具有良好的压电性能,因此适合用于高温环境。
附图说明
通过参考附图会更加清楚地理解本公开实施例的特征和优点,并且附图仅是示意性的,不应理解为对本公开进行任何限制,在附图中:
图1是示出了根据本公开一些示例性实施例的铋层状无铅压电陶瓷材料的结构示意图;
图2是示出了根据本公开一些示例性实施例的制备铋层状无铅压电陶瓷材料的方法的流程图;
图3是示出了根据本公开另一些示例性实施例的制备铋层状无铅压电陶瓷材料的方法的更详细的流程图;
图4是示出了根据本公开一些示例性实施例的铋层状无铅压电陶瓷材料的老化率随复合掺杂含量变化的曲线;
图5是示出了根据本公开一些示例性实施例的铋层状无铅压电陶瓷材料在掺杂取代改性前后灵敏度漂移-温度特性曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例的详细描述涵盖了许多具体细节,以便提供对本发明的全面理解。但是,对于本领域技术人员来说显而易见的是,本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本公开的示例来提供对实施例更清楚的理解。本公开绝不限于下面所提出的任何具体配置,而是在不脱离本公开的精神的前提下覆盖了相关元素、部件的任何修改、替换和改进。
在一些实施例中,根据本公开的无铅压电陶瓷材料包括基体材料,该基体材料为铋层状结构化合物,并且基体材料中外掺杂有组分铌和组分铈中的至少一种。根据本公开的无铅压电陶瓷材料和压电元件,基体材料通过组分铌和组分铈中的至少一种掺杂改性,因而在高温条件下具有良好的压电性能,从而适合于高温环境下使用。
下面将结合图1来说明本公开一些实施例的铋层状无铅压电陶瓷材料。如图1所示,压电陶瓷材料包括基体材料100,该基体材料100为铋层状结构,这种结构包括钙钛矿型结构层101和铋氧层102,其中钙钛矿型结构层101和铋氧层102交错排列。
继续参考图1,在一些实施例中,钙钛矿型结构层101和铋氧层102沿该基体材料100的c轴方向交错排列,其中,每两层铋氧层102之间至少有一层钙钛矿型结构层。一般来说,随着每两层铋氧层102之间的钙钛矿型结构层数量的增加,该压电陶瓷材料的压电活性越高,结构越趋于单晶,居里点Tc越高,老化率越低,电阻率越高。
在一些实施例中,基体材料可以为铋层状结构,其结构通式为(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-,其中,(Bi2O2)2+代表铋氧层,(Am- 1BmO3m+1)2-代表钙钛矿型结构层,并且其中,m表示每两层(Bi2O2)2+之间的(Am-1BmO3m+1)2-的数量。
在一些实施例中,基体材料100可以为Na0.5Bi4.5Ti4O15,其通式为(Bi2O2)2+(Na0.5Bi2.5Ti4O13)2-,这种结构是由钙钛矿型结构层(Na0.5Bi2.5Ti4O13)2-和铋氧层(Bi2O2)2+沿c轴方向交错排列而成,每两层铋氧层间有4层钙钛矿层。
在另一些实施例中,基体材料100可以为Na0.5Bi3.5Ti3O12,其通式为(Bi2O2)2+(Na0.5Bi1.5Ti3O10)2-,这种结构是由钙钛矿型结构层(Na0.5Bi1.5Ti3O10)2-和铋氧层(Bi2O2)2+沿c轴方向交错排列而成,每两层铋氧层间有3层钙钛矿层。
如上所述,根据本公开的压电陶瓷材料,基体材料100可以通过外掺杂组分铌Nb和组分铈Ce中的至少一种掺杂改性。在一些实施例中,组分铌Nb可以取自氧化铌Nb2O5,且组分铌Nb的掺杂量按Nb2O5换算。在一些实施例中,组分铈Ce可以取自氧化铈CeO2,且组分铈Ce掺杂量按CeO2来换算。应理解,虽然在本公开中Nb,Ce以Nb2O5,CeO2为例来说明,但是并不限于此具体氧化物,而是可以采用其他铌化合物和铈化合物。
在一些实施例中,基体材料100可以单独掺杂氧化铌或氧化铈,或者基体材料100也可以掺杂氧化铌和氧化铈二者。氧化铌的掺杂量可以不大于7mol%范围内,氧化铈的掺杂量可以不大于2wt%。应理解,mol%为摩尔百分比,wt%为重量百分比,均为相对于基体材料的含量。
例如,基体材料100单独外掺杂氧化铌Nb2O5的情形中,压电陶瓷材料可以被表示为Na0.5Bi4.5Ti4O15+x mol%Nb2O5,其中0<x≤7。此外,基体材料100单独外掺杂CeO2的情形中,压电陶瓷材料可以被表示为Na0.5Bi4.5Ti4O15+y wt%CeO2,其中0<y≤2。此外,基体材料100外掺杂Nb2O5和CeO2的情形中,压电陶瓷材料可以被表示为Na0.5Bi4.5Ti4O15+xmol%Nb2O5+y wt%CeO2,其中,0<x≤7;0<y≤2,复合掺杂Nb2O5和CeO2可以使基体Na0.5Bi4.5Ti4O15的压电常数d33值达到35pC/N,压电活性得到显著的提高。
在一些实施例中,所述基体材料100中还可以被取代掺杂有组分锶Sr和组分钡Ba中的至少一种,并且锶Sr可以取自碳酸锶SrCO3,钡Ba可以取自碳酸钡BaCO3。在此情况中,基体材料100中的部分Na+可以被Sr2+和Ba2+中的至少一种取代。也就是说,部分Na离子可以由Sr2+取代,或者部分Na离子可以由Ba2+取代,或者,部分Na离子的其中一部分由Sr2+取代,另一部分由Ba2+取代。虽然在本公开中Sr,Ba以SrCO3,BaCO3为例来说明,但是本公开并不限于此,而是可以采用其他锶化合物和钡化合物。
作为一个示例,在基体材料100外掺杂了Nb2O5和CeO2二者的情形中,Sr2+取代部分Na+,此时,压电陶瓷材料可以被表示为(Na0.5- zSrz)Bi4.5Ti4O15+x mol%Nb2O5+y wt%CeO2,其中0<x≤7,0<y≤2,0<z<0.5)。
作为另一个示例,在基体材料100外掺杂了Nb2O5和CeO2二者的情形中,Ba2+取代部分Na+,此时,压电陶瓷材料可以被表示为(Na0.5- wBaw)Bi4.5Ti4O15+x mol%Nb2O5+y wt%CeO2,其中,0<x≤7,0<y≤2,0<w<0.5)。
在又一个示例中,在基体材料100外掺杂了Nb2O5和CeO2二者的情形中,部分Na+中的其中一部分被Sr2+取代,其中另一部分被Ba2+取代,此时,压电陶瓷材料可以被表示为(Na0.5-z-wSrzBaw)Bi4.5Ti4O15+xmol%Nb2O5+y wt%CeO2(0<x≤7,0<y≤2,0<z<0.5,0<w<0.5,0<z+w<0.5),经复合掺杂和取代的基体材料Na0.5Bi4.5Ti4O15压电常数d33值可以达到28pC/N,随后将压电陶瓷材料经高温550℃老化48h,再经高低温-55℃~120℃循环老化处理后,d33值为24pC/N;最后升温至480℃保温24h后,高温绝缘电阻值大于1.4Ω,压电陶瓷材料和压电元件的压电性能在高温抗老化性能、高温绝缘电阻值以及压电活性多方面都得到显著提高。
应注意,Sr2+和Ba2+只是取代部分Na+,因此在二者都存在情况下,二者所占的摩尔总数不能超过被取代的Na+摩尔总数。
应注意,本公开中的“外掺杂”指代掺杂元素虽然会进入到基体材料中,但是不会占据任何现有元素的晶格位置;而“取代掺杂”指代掺杂离子不但会进入到基体材料中,而且还将占据特定元素(例如Na+)所在的晶格位置。“外掺杂”和“取代掺杂”是对本公开中的无铅压电陶瓷材料掺杂改性的两种掺杂方法,参与掺杂改性的化合物并不局限于实施例所述的掺杂方法。在本公开的另一些实施例中,本领域技术人员还可以使用氧化铌或氧化铈中的至少一种对压电陶瓷化合物取代掺杂改性,在本公开的再一些实施例中,本领域技术人员可以使用碳酸锶或碳酸钡中的至少一种对压电陶瓷材料外掺杂改性。通过Nb、Ce、Sr和Ba元素对压电陶瓷材料进行掺杂改性,并不局限于具体的掺杂方法。
在本公开的其他一些实施例中,基体材料也可以是其他铋层状无铅压电陶瓷材料,例如Na0.5Bi3.5Ti3O12,在基体材料Na0.5Bi3.5Ti3O12外掺杂了Nb2O5和CeO2二者的情形中,部分Na+中的其中一部分被Sr2+取代,其中另一部分被Ba2+取代,此时,压电陶瓷材料可以被表示为(Na0.5-z- wSrzBaw)Bi3.5Ti3O12+x mol%Nb2O5+y wt%CeO2(0<x≤7,0<y≤2,0<z<0.5,0<w<0.5,0<z+w<0.5),通过Nb、Ce、Sr和Ba元素对压电陶瓷材料Na0.5Bi3.5Ti3O12进行掺杂改性,提高压电陶瓷材料的压电性能。
如上所述,根据本公开实施例的无铅压电陶瓷材料和压电元件,由于在基体材料中外掺杂组分铌和/或组分铈,压电陶瓷材料和压电元件的压电活性得以提高。此外,通过Sr2+和/或Ba2+对基体材料中Na+的取代,提高了压电陶瓷材料、压电元件的高温抗老化性能和高温绝缘电阻。
下面结合附图2-3详细描述本公开一些实施例的制备压电陶瓷材料的过程。应注意,这些实施例并不是用来限制本公开的范围。
图2是示出了根据本公开一些示例性实施例的制备铋层状无铅压电陶瓷材料的方法100的流程图。如图2所示,根据本公开实施例的制备压电陶瓷材料的方法200包括以下步骤S201-S206。
在步骤S201,将预定比例量的氧化铌和氧化铈中的至少一种、氧化铋、无水碳酸钠及二氧化钛粉末进行充分混合。
在步骤S202,将充分混合的物料进行预烧结。
在步骤S203,将预烧结后的块体捣碎并进行细磨。
在步骤S204,将细磨后的物料进行造粒。
在步骤S205,将造粒好的粉料进行压置成型。
在步骤S206,将成型后的坯体进行高温烧结。
根据本公开实施例的方法制备得到的压电陶瓷材料能够适合于在高温、高频环境中使用。
图3是示出了根据本公开一些示例性实施例的制备铋层状无铅压电陶瓷材料的方法的更详细的流程图,图3与图2相同或等同的步骤使用相同的标号。
在步骤S201,将预定比例量的氧化铌和氧化铈中的至少一种、氧化铋、无水碳酸钠及二氧化钛粉末进行充分混合。
在此步骤中,首先根据想要获得的无铅压电陶瓷材料的分子式来计算各原料的百分含量,并称取相应量的各种原料。
在一些实施例中,步骤S201中的充分混合步骤还可以包括:
在步骤S2011,将预定比例的氧化铌和氧化铈中的至少一种、氧化铋、无水碳酸钠及二氧化钛粉末进行初步混合。
在一个示例中,初步混合可以通过利用球磨法进行混合。作为示例,将所称取的预定量的氧化铌和氧化铈中的至少一种、氧化铋、无水碳酸钠及二氧化钛原料按照原料∶磨球∶酒精=1∶2∶0.7的比例装入球磨罐内,以90转/分的转速进行球磨混料。球磨时间例如可以为6~8h。应理解,在采用球磨混合的情况下,还需要对球磨后的物料进行烘干处理。作为示例,混合后的物料被置于鼓风干燥箱中以80℃烘干。烘干时间例如可以为12~14h。
在步骤S2012,将初步混合后的物料捣碎并压块。在一个示例中,压块处理可在0.8~1t/cm2的压力下进行。
经过步骤S2011-S2012,获得了充分混合的物料。
在步骤S202,将充分混合的物料进行预烧结。在一个示例中,预烧结的温度可以在830~870℃,例如850℃的条件下预烧2~3h。
在步骤S203,将预烧结后的块体捣碎并进行细磨。
在一个示例中,将预烧结后的块体捣碎,并将捣碎的粉料进行细磨。例如,将捣碎的粉料按粉料∶磨球∶酒精=1∶1.5∶0.7的比例装入球磨罐内,以90转/分的转速为进行粉料细磨。球磨时间例如可以为22~26h。应理解,在采用球磨混合的情况下,还需要对球磨后的物料进行烘干处理。作为示例,混合后的物料被置于鼓风干燥箱中以80℃烘干。烘干时间例如可以为12~14h。
在步骤S204,将细磨后的物料进行造粒。在一些实施例中,可以采用无粘合剂的造粒技术。在一些实施例中,可以采用利用粘合剂的造粒技术。此时,所使用的粘合剂例如可以为聚乙烯醇PVA。作为示例,在造粒处理中,可以将细磨后的物料加入5~6%的聚乙烯醇PVA进行造粒。
在步骤S205,将造粒好的粉料进行压置成型。作为示例,在该步骤中,造粒好的粉料在压强为1.5~2t/cm2的压力下干压成型。
在步骤S206,将成型后的坯体进行高温烧结。作为示例,在该步骤中,将成型后的坯体放在加热炉中,以300℃/h的升温速率升至1100~1150℃,保温2h。随炉冷却后,便得到压电陶瓷材料。
应理解,在采用利用粘合剂进行造粒的情况中,为了避免粘合剂的影响,压置成型后的坯体还需进行低温排塑处理,以去除粘合剂。
作为示例,在排塑处理中,将成型好的坯体放在加热炉中,以小于100℃/h的升温速率升至100℃,保温1h,然后以相同的升温速率升温至500℃,此时粘合剂基本已排除干净。为了提高坯体强度,可以继续加热,直至升温至850℃,保温1h。
根据上述实施例的方法能够制备得到以铋层状结构为基体并以氧化铌和氧化铈中的至少一者外掺杂的压电陶瓷材料,该压电陶瓷材料能够适合于在高温、高频环境中使用。应理解,上面以示例的形式描述了各步骤中的具体制备条件,但是应理解这些仅是示例,本公开并不限于这些具体的数值。在一些示例中,为了进一步增强压电陶瓷材料在高温高频环境下的性能,还可以在混合步骤中添加碳酸锶和/或碳酸钡等原料,来获得既外掺杂了铌和/或铈元素又以锶Sr和/或钡Ba离子取代钠Na离子的压电陶瓷材料。
上述各原料均没有经过纯化处理。氧化铋、氧化铌、氧化铈纯度为99.9%,无水碳酸钠、二氧化钛、碳酸锶、碳酸钡、无水乙醇等纯度均可采用分析纯。
为了测试根据上述制备方法得到的压电陶瓷材料的各种性能,可以将所获得的材料机械加工成标准圆片,并进行被银、烧银、极化、高温老化等处理。
下表1示出了根据本公开示例性实施例得到的压电陶瓷材料(Na0.5-z- wSrzBaw)Bi4.5Ti4O15+x mol%Nb2O5+y wt%CeO2(0<x≤7,0<y≤2,0<z<0.5,0<w<0.5,0<z+w<0.5)的主要性能参数。
表1
从上表1可见,根据本公开示例性实施例得到外掺杂有铌和/或铈元素并且以锶Sr和/或钡Ba离子取代部分钠Na离子的压电陶瓷材料具有730℃的居里点,并且高温550℃老化48h后常温等价压电常数d33为23~25pC/N,压电陶瓷材料和压电元件的压电性能显著提高,因此能够很好地适合于高温使用。并且因为相对介电常数较低,压电陶瓷材料和压电元件在高频下具有良好的介电性能,能够适于在高频中的使用。
另外,图4是示出了根据本公开一些示例性实施例的经复合掺杂和取代的铋层状无铅压电陶瓷材料随掺杂含量变化的老化率曲线。图4中的复合掺杂是指对基体材料掺杂有氧化铌、氧化铈、碳酸锶和碳酸钡中的至少一种。如图4所示,当复合掺杂量在0.3~0.7(wt)%时,Na0.5Bi4.5Ti4O15的老化率在25%以下,因此压电材料的稳定性较好。此外,如图4所示,Na0.5Bi4.5Ti4O15的老化率随复合掺杂量先降低再升高,当复合掺杂量为0.5(wt)%时,老化率最低,是稳定性较好的压电陶瓷材料。
另外,图5是示出了根据本公开一些示例性实施例的铋层状无铅压电陶瓷材料在掺杂取代改性前后灵敏度漂移-温度特性曲线图。如图5所示,从约250℃至500℃,铋层状无铅压电陶瓷材料的灵敏度漂移随温度升高而增大,而在对基体材料复合掺杂取代改性以后,在温度超过250℃时,压电陶瓷材料的灵敏度漂移得到明显的改善。
在本公开的另一些实施例中,压电陶瓷材料Na0.5Bi3.5Ti3O12在外掺杂有铌和/或铈元素并且以锶Sr和/或钡Ba离子取代部分钠Na离子进行改性后具有670℃的居里点,并且高温550℃老化48h后常温等价压电常数d33为17~20pC/N,压电陶瓷材料和压电元件的压电性能得到明显的提高,能够适于在高温中的使用。并且高温老化处理后测得压电陶瓷材料的相对介电常数较低,为120~140,所以压电陶瓷材料和压电元件在高频下具有良好的介电性能,能够适于在高频中的使用。
如上所述,本公开描述了一种压电陶瓷材料和压电元件,该压电陶瓷材料和压电元件可以在铋层状结构的基体材料中通过Nb、Ce、Sr和Ba进行外掺杂和/或离子取代,从而使得压电陶瓷材料和压电元件即使在高温环境中也具有更理想的压电活性、时间和温度稳定性以及高温绝缘电阻值,进而使得压电陶瓷材料和压电元件能够适用于诸如高温压电器件等高温环境中。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实施例方案后,将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖这些实施例的任何变型、替代或者适应性变化,这些变型、替代或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。
应当理解的是,本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。说明书和实施例仅被视为示例性的。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种无铅压电陶瓷材料,包括:基体材料,所述基体材料为铋层状化合物,并且所述基体材料中,掺杂有组分铌和组分铈中的至少一种。
2.如权利要求1所述的无铅压电陶瓷材料,其中,所述基体材料为Na0.5Bi4.5Ti4O15或Na0.5Bi3.5Ti3O12
3.如权利要求2所述的无铅压电陶瓷材料,其中,所述组分铌取自氧化铌Nb2O5,所述组分铈取自氧化铈CeO2
4.如权利要求1所述的无铅压电陶瓷材料,其中,所述组分铌的含量按Nb2O5计,所述Nb2O5相对于所述基体材料的含量不大于7mol%。
5.如权利要求1所述的无铅压电陶瓷材料,其中,所述组分铈的含量按CeO2计,所述CeO2相对于所述基体材料的含量不大于2wt%。
6.如权利要求2所述的无铅压电陶瓷材料,其中,所述基体材料掺杂有组分锶和组分钡中的至少一种,所述组分锶取自碳酸锶SrCO3,所述组分钡取自碳酸钡BaCO3
7.如权利要求6所述的无铅压电陶瓷材料,所述基体材料中的部分Na+被Sr2+和Ba2+中的至少一者取代。
8.如权利要求3所述的无铅压电陶瓷材料,其分子式为:Na0.5Bi4.5Ti4O15+x mol%Nb2O5+y wt%CeO2,其中,0<x≤7,0<y≤2。
9.如权利要求7所述的无铅压电陶瓷材料,其分子式为:(Na0.5-z- wSrzBaw)Bi4.5Ti4O15+x mol%Nb2O5+y wt%CeO2,其中,0<x≤7,0<y≤2,0<z<0.5,0<w<0.5,0<z+w<0.5。
10.一种无铅压电元件,包括权利要求1-9中任一项所述的无铅压电陶瓷材料。
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