CN106554202A - 一种铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料，该压电陶瓷材料的通式为Na0.5Bi4.5Ti4‑x(CrW)x/2O15，其中0＜x≤0.5。本发明还公开了该压电陶瓷材料的制备方法，采用Na0.5Bi4.5Ti4O15体系压电材料为基体，在Ti位按照一定的摩尔比掺入Cr、W，采用传统的固相合成方法，制备得到此类新型铋层状结构压电陶瓷材料，主要性能参数为d33＝40pC/N，ε＝150，tanδ＝0.12％，kp＝6.2％，Qm＝5400，Tc＝675℃，具有良好的高温稳定性，介电损耗在500℃时仍低于0.2％。本发明的铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料在高温领域具有良好的应用前景。利用这种材料制得的各种形状的陶瓷元件，组装成各种压电传感器，在高温测量、探测以及自动控制等方面得到了广泛应用。

Description

一种铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料及其制备方法，具体涉及一种Cr/W共掺杂的铋层状结构钛酸铋钠(Na0.5Bi4.5Ti4O15)压电陶瓷材料及其制备方法，属于压电陶瓷材料领域。
背景技术
高温压电材料被广泛应用于航空航天、地质勘探、石油化工、汽车发动机等许多要求工作于特殊环境下的高新技术领域，如卫星上的微位移驱动器、汽车电喷、地质勘探过程中的振动传感器、加速度传感器等都必须使用高温压电材料。
目前应用最广泛的压电材料主要是钙钛矿结构的PZT基压电材料，但是这类压电材料的居里温度一般在390℃以下，由于压电材料退极化现象的存在，压电材料在居里温度以上无法正常工作。随着航空航天、地质勘探等工业的飞速发展，需要的压电器件往往要求工作在400℃以上，因此有必要寻求一种居里温度高，并且压电性能优异的压电材料。
铋层状结构的陶瓷材料是由(Bi2O2)2+层和钙钛矿结构的晶格层相互交替叠加而成的，其化学通式为(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-，上式中A为适合12配位的离子，如Na+、K+、Ca2+等，B为适合8配位的离子，如Ti4+、Nb5+等，m为整数，取值为1～5。钛酸铋钠(Na0.5Bi4.5Ti4O15)是m＝4的铋层状结构材料，其居里温度高达657℃，压电常数d33约为16pC/N，介电损耗tanδ<0.5％，与实际应用相比，虽然居里温度满足高温下使用的要求，但是其压电性能还达不到应用要求(d33>30pC/N)。因此，如何在不降低居里温度的同时提高压电常数以获得高温范围内稳定使用的铋层状压电陶瓷材料成为本领域研究的一个重要课题。
目前，尚未见以Cr/W共掺杂来提高铋层状结构钛酸铋钠(Na0.5Bi4.5Ti4O15)压电陶瓷材料性能的相关报道。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料及其制备方法，利用Cr、W元素对铋层状结构钛酸铋钠(Na0.5Bi4.5Ti4O15)压电陶瓷材料进行共掺杂改性，在不降低其居里温度的同时，提高其压电性能，制备出一种新型的、环境友好型的压电陶瓷材料。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料，该压电陶瓷材料的通式为Na0.5Bi4.5Ti4-x(CrW)x/2O15，其中0＜x≤0.5；
通式中，下标数字代表元素的摩尔比。
优选的，x＝0.1、0.2、0.3或0.4；
进一步优选的，x＝0.1。
该铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料的制备方法，步骤如下：
(1)以Na2CO3粉体、Bi2O3粉体、TiO2粉体、Cr2O3粉体和WO3粉体为原料，按通式中Na、Bi、Ti、Cr和W的化学计量比进行配料，经球磨混合、预烧结、二次球磨、烘干、研磨，得混合粉料；
(2)将混合粉料经压片、排塑、烧结后，得到Cr/W共掺杂改性的钛酸铋钠压电陶瓷片；
(3)将Cr/W共掺杂改性的钛酸铋钠压电陶瓷片在通氧气氛下处理，即得到铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料。
优选的，步骤(1)中，所述球磨和二次球磨的球磨时间均为16-20h(优选为18h)，球磨介质为去离子水。通过球磨以得到成分均匀且细化的粉体，由此可以进一步的提高钛酸铋钠高温压电陶瓷材料的综合性能。
优选的，步骤(1)中，所述预烧结的温度为700-900℃，预烧结的保温时间为2-4h。本发明对预烧结温度和保温时间进行了优化，在该条件下，可以使得碳化物和氧化物中的碳元素和部分氧元素烧蚀掉，以便制得具有上述通式组成的高温压电陶瓷材料，并且通过预烧结，还可以进一步改善钛酸铋钠高温压电陶瓷材料的压电性能的温度稳定性。
优选的，步骤(2)中，所述排塑温度为600-700℃。
优选的，步骤(2)中，所述烧结温度为1050-1250℃，烧结保温时间为2-4h。由此可以进一步的提高钛酸铋钠高温压电陶瓷材料的压电性能的温度稳定性。
优选的，步骤(3)中，所述通氧气氛处理的温度为800-1000℃，处理时间为2-4h。
对所述铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料做进一步的极化处理，即得到钛酸铋钠高温压电陶瓷；极化处理的方法为：将铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料进行表面抛光处理后，在陶瓷材料上下表面被上Ag电极，烧银处理后，在高温硅油中，加以直流高压极化，得到极化后掺杂改性的钛酸铋钠压电陶瓷，测试其相关性能，如居里温度、压电性能、介电损耗等。
优选的，所述烧银处理温度为500-600℃，烧银处理保温时间为1-2h。
优选的，硅油温度为150℃～200℃，极化电压为8kV/mm～12kV/mm，极化时间为20min～40min。在该极化处理条件下，Cr、W共掺杂的铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料，能充分极化，提高了其压电性能。利用本发明的钛酸铋钠高温压电陶瓷材料制得的各种形状的陶瓷元件，组装成各种压电传感器，可以在高温测量、探测以及自动控制等方面得到广泛应用。
本发明的设计构思为：在本发明的钛酸铋钠高温压电陶瓷材料中，通过掺杂Cr和W取代B位的Ti，并控制掺杂元素的加入量，有效提高了钛酸铋钠高温压电陶瓷材料的压电性能。需要说明的是，现有技术中虽然有许多关于对压电陶瓷材料进行元素掺杂的报道，但是不同的掺杂元素，掺杂元素不同的加入量，都会对压电陶瓷材料的整体性能产生较大影响，这需要在试验过程中不断摸索，反复试验才能得到，发明人在前期研究中也尝试了多种不同元素对钛酸铋钠高温压电陶瓷材料的掺杂，但相对于其他元素掺杂，采用本发明的Cr和W元素共掺杂，制备得到的铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料表现出更为优异的压电性能。
本发明的有益效果：
本发明Cr、W元素共掺杂改性的铋层状结构钛酸铋钠(Na0.5Bi4.5Ti4O15)压电陶瓷材料，居里温度在650℃以上，压电常数d33高达40pC/N，并具有良好的高温稳定性，介电损耗在500℃以下仍低于0.2％，在高温领域具有良好的应用前景。
另外，该发明通过传统压电陶瓷工业制得，制备成本低，工艺简单且适合于大批量工业化生产，掺杂改性后的陶瓷材料的压电性能较之前提高了一倍以上，推进了高温压电材料研究的进展。
附图说明
图1为实施例1制备的Cr、W共掺杂改性的钛酸铋钠无铅压电陶瓷的XRD衍射图；
图2为实施例1制备的Cr、W共掺杂改性的钛酸铋钠无铅压电陶瓷介电常数随温度的变化曲线；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
实施例1：
制备符合化学组成Na0.5Bi4.5Ti4-x(CrW)x/2O15，x＝0.1的Cr/W共掺杂改性的钛酸铋钠(Na0.5Bi4.5Ti4O15)无铅压电陶瓷。
将分析纯的粉体原料Na2CO3、Bi2O3、TiO2、Cr2O3和WO3按照以上化学配比配料，将称量好的原料与去离子水混合后球磨18h、在800℃预烧3h，粉碎后二次球磨18h，烘干研磨后将其压制成直径12mm的薄圆片，经650℃排塑后在1100℃下烧结保温3h即得到掺杂改性的钛酸铋钠无铅压电陶瓷。将所得的陶瓷样品表面抛光后在其上下表面被上Ag电极，在180℃硅油中，10kV/mm的直流电压下极化30min，测试其压电性能。所得陶瓷样品的压电常数d33＝40pC/N，介电常数ε＝150，介电损耗tanδ＝0.12％，机电耦合系数kp＝6.2％，机械品质因数Qm＝5400。
本实施例制备的Cr/W共掺杂改性的钛酸铋钠无铅压电陶瓷的X射线衍射图谱见图1，其介电常数随温度的变化曲线见图2。
由图1可以看出，本实施例制备的Cr/W共掺杂改性的钛酸铋钠无铅压电陶瓷与纯相的钛酸铋钠压电陶瓷的XRD图谱基本一致。
由图2可以看出，本实施例制备的Cr/W共掺杂改性的钛酸铋钠无铅压电陶瓷的居里温度为675℃。
实施例2：
制备符合化学组成Na0.5Bi4.5Ti4-x(CrW)x/2O15，x＝0.2的Cr/W共掺杂改性的钛酸铋钠(Na0.5Bi4.5Ti4O15)无铅压电陶瓷。。
将分析纯的粉体原料Na2CO3、Bi2O3、TiO2、Cr2O3和WO3按照以上化学配比配料，将称量好的原料与去离子水混合后球磨18h、在800℃预烧3h，粉碎后二次球磨18h，烘干研磨后将其压制成直径12mm的薄圆片，经650℃排塑后在1100℃下烧结保温3h即得到掺杂改性的钛酸铋钠无铅压电陶瓷。将所得的陶瓷样品表面抛光后在其上下表面被上Ag电极，在180℃硅油中，10kV/mm的直流电压下极化30min，测试其压电性能。所得陶瓷样品的d33＝35pC/N，介电常数ε＝163，介电损耗tanδ＝0.21％，机电耦合系数kp＝5.5％，机械品质因数Qm＝4500。
实施例3：
制备符合化学组成Na0.5Bi4.5Ti4-x(CrW)x/2O15，x＝0.3的Cr/W共掺杂改性的钛酸铋钠(Na0.5Bi4.5Ti4O15)无铅压电陶瓷。
将分析纯的粉体原料Na2CO3、Bi2O3、TiO2、Cr2O3和WO3按照以上化学配比配料，将称量好的原料与去离子水混合后球磨18h、在800℃预烧3h，粉碎后二次球磨18h，烘干研磨后将其压制成直径12mm的薄圆片，经650℃排塑后在1100℃下烧结保温3h即得到掺杂改性的钛酸铋钠无铅压电陶瓷。将所得的陶瓷样品表面抛光后在其上下表面被上Ag电极，在180℃硅油中，10kV/mm的直流电压下极化30min，测试其压电性能。所得陶瓷样品的d33＝32pC/N，介电常数ε＝182，介电损耗tanδ＝0.32％，机电耦合系数kp＝4.8％，机械品质因数Qm＝3800。
实施例4：
制备符合化学组成Na0.5Bi4.5Ti4-x(CrW)x/2O15，x＝0.4的Cr/W共掺杂改性的钛酸铋钠(Na0.5Bi4.5Ti4O15)无铅压电陶瓷。
将分析纯的粉体原料Na2CO3、Bi2O3、TiO2、Cr2O3和WO3按照以上化学配比配料，将称量好的原料与去离子水混合后球磨18h、在800℃预烧3h，粉碎后二次球磨18h，烘干研磨后将其压制成直径12mm的薄圆片，经650℃排塑后在1100℃下烧结保温3h即得到掺杂改性的钛酸铋钠无铅压电陶瓷。将所得的陶瓷样品表面抛光后在其上下表面被上Ag电极，在180℃硅油中，10kV/mm的直流电压下极化30min，测试其压电性能。所得陶瓷样品的d33＝28pC/N，介电常数ε＝193，介电损耗tanδ＝0.43％，机电耦合系数kp＝3.2％，机械品质因数Qm＝3520。
实施例1-4的Cr、W共掺杂改性的钛酸铋钠无铅压电陶瓷的配方组成及性能测试结果具体见表1。
表1
对比例1：
将Ti位的掺杂元素调整为Cr和La，掺杂量同实施例1，其中，La以La2O3粉体的形式加入，制备方法同实施例1，区别在于：将La2O3粉体替换为WO3粉体。测试其压电性能。所得陶瓷样品的压电常数d33＝30pC/N，介电损耗tanδ＝0.32％，居里温度为585℃。
对比例2：
将Ti位的掺杂元素调整为Li和Gd，掺杂量同实施例1，其中，Li以Li2CO3粉体的形式加入，Gd以Gd2O3粉体的形式加入，制备方法同实施例1，区别在于：将Li2CO3粉体替换为Cr2O3粉体，Gd2O3粉体替换为WO3粉体。测试其压电性能。所得陶瓷样品的压电常数d33＝27pC/N，介电损耗tanδ＝0.34％，居里温度为600℃。

Claims (10)

1.一种铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料，其特征在于，该压电陶瓷材料的通式为Na0.5Bi4.5Ti4-x(CrW)x/2O15，其中0＜x≤0.5。
2.如权利要求1所述的铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料，其特征在于，x＝0.1、0.2、0.3或0.4；优选的，x＝0.1。
3.权利要求1或2所述的铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)以Na2CO3粉体、Bi2O3粉体、TiO2粉体、Cr2O3粉体和WO3粉体为原料，按通式中Na、Bi、Ti、Cr和W的化学计量比进行配料，经球磨混合、预烧结、二次球磨、烘干、研磨，得混合粉料；
(2)将混合粉料经压片、排塑、烧结后，得到Cr/W共掺杂改性的钛酸铋钠压电陶瓷片；
(3)将Cr/W共掺杂改性的钛酸铋钠压电陶瓷片在通氧气氛下处理，即得到铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料。
4.如权利要求3所述的铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述球磨和二次球磨的球磨时间均为16-20h(优选为18h)，球磨介质为去离子水。
5.如权利要求3所述的铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述预烧结的温度为700-900℃，预烧结的保温时间为2-4h。
6.如权利要求3所述的铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述排塑温度为600-700℃。
7.如权利要求3所述的铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述通氧气氛处理的温度为800-1000℃，处理时间为2-4h。
8.一种铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷，其特征在于，由权利要求1至3任一项的所述的铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料经极化处理得到；极化处理的方法为：将铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料进行表面抛光处理后，在陶瓷材料上下表面被上Ag电极，烧银处理后，在高温硅油中，加以直流高压极化。
9.如权利要求8所述的铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷，其特征在于，所述烧银处理温度为500-600℃，烧银处理保温时间为1-2h。
10.如权利要求8所述的铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷，其特征在于，硅油温度为150℃～200℃，极化电压为8kV/mm～12kV/mm，极化时间为20min～40min。
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