CN116462506A - 一种兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷及其制备方法 - Google Patents
一种兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116462506A CN116462506A CN202310402123.7A CN202310402123A CN116462506A CN 116462506 A CN116462506 A CN 116462506A CN 202310402123 A CN202310402123 A CN 202310402123A CN 116462506 A CN116462506 A CN 116462506A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ceramic
- temperature
- piezoelectricity
- bismuth
- bismuth layered
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 119
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 79
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 78
- 238000009413 insulation Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 19
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 28
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 64
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 37
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims description 29
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 28
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 27
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 24
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 22
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 20
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 20
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 20
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 19
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 19
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 16
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 14
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 13
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 13
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 11
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 11
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 10
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 9
- 238000007873 sieving Methods 0.000 claims description 9
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 7
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 7
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 6
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims description 6
- 101100513612 Microdochium nivale MnCO gene Proteins 0.000 claims description 5
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 5
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 5
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 claims description 4
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000005303 weighing Methods 0.000 claims description 3
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 11
- 230000004048 modification Effects 0.000 abstract description 6
- 238000012986 modification Methods 0.000 abstract description 6
- 238000003746 solid phase reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 4
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 abstract description 3
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 15
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 229910015902 Bi 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 8
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 description 8
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 8
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 8
- 229920002545 silicone oil Polymers 0.000 description 8
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 7
- 238000010532 solid phase synthesis reaction Methods 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 7
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 238000001757 thermogravimetry curve Methods 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 229940058905 antimony compound for treatment of leishmaniasis and trypanosomiasis Drugs 0.000 description 1
- 150000001463 antimony compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 150000001621 bismuth Chemical class 0.000 description 1
- 150000001622 bismuth compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001010 compromised effect Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 150000002642 lithium compounds Chemical class 0.000 description 1
- 150000002697 manganese compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002822 niobium compounds Chemical class 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N selanylidenegallium;selenium Chemical compound [Se].[Se]=[Ga].[Se]=[Ga] VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 150000003609 titanium compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
- 150000003755 zirconium compounds Chemical class 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/495—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on vanadium, niobium, tantalum, molybdenum or tungsten oxides or solid solutions thereof with other oxides, e.g. vanadates, niobates, tantalates, molybdates or tungstates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
- C04B41/50—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
- C04B41/51—Metallising, e.g. infiltration of sintered ceramic preforms with molten metal
- C04B41/5122—Pd or Pt
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
- C04B41/52—Multiple coating or impregnating multiple coating or impregnating with the same composition or with compositions only differing in the concentration of the constituents, is classified as single coating or impregnation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
- C04B41/81—Coating or impregnation
- C04B41/85—Coating or impregnation with inorganic materials
- C04B41/88—Metals
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
- C04B41/81—Coating or impregnation
- C04B41/89—Coating or impregnation for obtaining at least two superposed coatings having different compositions
- C04B41/90—Coating or impregnation for obtaining at least two superposed coatings having different compositions at least one coating being a metal
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
- C04B2235/3232—Titanium oxides or titanates, e.g. rutile or anatase
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
- C04B2235/3244—Zirconium oxides, zirconates, hafnium oxides, hafnates, or oxide-forming salts thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3262—Manganese oxides, manganates, rhenium oxides or oxide-forming salts thereof, e.g. MnO
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3262—Manganese oxides, manganates, rhenium oxides or oxide-forming salts thereof, e.g. MnO
- C04B2235/3267—MnO2
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3294—Antimony oxides, antimonates, antimonites or oxide forming salts thereof, indium antimonate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3298—Bismuth oxides, bismuthates or oxide forming salts thereof, e.g. zinc bismuthate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/44—Metal salt constituents or additives chosen for the nature of the anions, e.g. hydrides or acetylacetonate
- C04B2235/442—Carbonates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
- C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
- C04B2235/6562—Heating rate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
- C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
- C04B2235/6567—Treatment time
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
- C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
本发明提供了一种兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷及其制备方法，铋层状陶瓷的分子通式为：LixBi1‑x/3(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)yTi1‑ yNbO9，铋层状陶瓷采用Li+离子取代部分Bi3+离子以及采用(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)4+离子团取代部分Ti4+离子，分子通式中x的取值范围为：0.02≥x>0，y的取值范围为：0.15≥y>0，x、y均为摩尔分数。其制备方法采用特定极化温度和极化电场，极化充分，压电性能得到充分开发。采用传统的固相反应法即可制备，制备工艺简单稳定，适合大规模工业生产的推广。采用A、B位离子和离子团共掺杂的方法，致使晶格畸变。A、B位共掺更能发挥多元复合掺杂改性的优势，制得的铋层状陶瓷具有压电常数大、居里温度高和高温电阻率高的优势，能满足高温压电传感器所需。
Description
技术领域
本发明属于压电陶瓷材料的制备技术领域，具体涉及一种兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷及其制备方法。
背景技术
迅猛发展的先进制造、航空航天和核能工业等行业对适用于高温下稳定工作的压电器件有着迫切需求。压电陶瓷材料是高温压电振动传感器的核心敏感元件，铋层状结构铁电体因具备极高的居里温度(Tc)、热稳定性和低介电损耗而受到关注，从而被广泛应用于高温领域。然而，较高矫顽场和各向异性结构导致压电常数d33较小。
Bi3TiNbO9(简称BTN)基陶瓷是铋层状结构铁电体系列中的一员，纯BTN陶瓷具备极高居里点(914℃)，但也存在缺点，如压电常数低(d33＝7pC/N)和高温下的电阻率低(2.59×104Ω·cm@500℃)，贫瘠的压电性能限制材料和器件应用。目前未见文献报导以Li+离子、(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)4+离子团掺杂改性提高BTN基压电陶瓷性能。
因此，如何在保持铋层状结构压电陶瓷材料高居里温度的前提下，提高其高温绝缘性及压电性被视为压电陶瓷材料研究领域的一个研究重点和关键难题。
发明内容
为了克服现有技术中在保持高居里温度情况下，无法提高铋层状结构压电陶瓷材料的高温绝缘性及压电性的问题，本发明的目的在于提出一种兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷及其制备方法。
本发明为了实现上述目的所采用的技术方案为：
一种兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷，其中，铋层状陶瓷的分子通式为：LixBi1-x/3(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)yTi1-yNbO9，铋层状陶瓷采用Li+离子取代部分Bi3+离子以及采用(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)4+离子团取代部分Ti4+离子，其中分子通式中x的取值范围为：0.02≥x>0，y的取值范围为：0.15≥y>0，x、y均为摩尔分数。
本发明通过在A位引入锂(Li+)取代部分Bi3+离子，以及在B位引入锰、锑、锆离子团(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)4+取代部分Ti4+离子，以改性提高BTN基压电陶瓷的性能。其中，A、B位共掺更能发挥多元复合掺杂改性的优势，制得的铋层状陶瓷具有压电常数大、居里温度高和高温电阻率高的优势。
在一个优选的实施例中，铋层状陶瓷的分子通式中锂源为Li2CO3、铋源为Bi2O3、锰源为MnO或MnO2或MnCO3、锑源为Sb2O3、锆源为ZrO2、钛源为TiO2、铌源为Nb2O5。
通过上述氧化物原料和/或碳酸盐原料进行反应获取LixBi1-x/3(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)yTi1-yNbO9，上述氧化物原料和/或碳酸盐原料的纯度均为分析纯。
本发明还提供了如上任一所述的兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤一、按照分子通式LixBi1-x/3(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)yTi1-yNbO9的化学计量比分别称取相应的氧化物原料和/或碳酸盐原料，将氧化物原料和/或碳酸盐原料与无水乙醇混合后进行球磨，获得浆料，对浆料依次进行干燥、预烧以及保温处理后，获得第一粉体；
步骤二、将第一粉体进行二次球磨后烘干，获得第二粉体，往第二粉体加入粘合剂，研磨均匀过细筛后压制成薄圆坯；
步骤三、将薄圆坯经排胶后进行烧结处理，获得陶瓷；
步骤四、抛光陶瓷的两面并印刷上铂/金电极后，进行保温以及极化处理，最终获得铋层状陶瓷。
由于大多数的陶瓷属于固溶体，如果均匀性不好，则压电和介电性质一般会受到损害。故步骤一中的混合是在行星球磨机里完成的，样品采用的尼龙罐里面放有数量适合、大小不等的二氧化锆球。将氧化物原料和/或碳酸盐原料放入球磨罐中，以无水乙醇为分散介质，球磨机以150-300rpm的转速进行混合，以使浆料充分均匀并达到制作陶瓷薄圆坯所需的细度。
上述步骤一中对浆料进行预烧，预烧这种化学反应是以低于反应物溶点的温度通过氧化物原料和/或碳酸盐原料各原子或离子之间的扩散完成，称为固相反应。通过固相反应以达到以下目的：除去原料中所含的结合水、碳酸盐中的二氧化碳和可挥发的杂质；使组成成分中的氧化物发生热化学反应而形成所希望得到的固溶体。
步骤二中对第一粉体进行二次球磨，其目的是将预烧过的压电陶瓷第一粉末再细振混匀磨细，为成瓷均匀性能一致打好基础。为了使第二粉末有较好的成型效果，需要在第二粉末中加入粘合剂。符合使用需求的粘合剂应当是完全或几乎完全有机的，只有这样它们才能够被烧去同时又不会改变坯体的组成成分。因此，本发明选用浓度8％的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂。而在研磨均匀过细筛的目的则是使第二粉末形成高密度的流动性好的颗粒。
步骤三中对薄圆坯进行排胶的原因是高温烧结过程中粘合剂会分解形成大量一氧化碳等还原性很强的气体，从而导致陶瓷样品的性能有一定的恶化结果。因此，通过排胶可以排除大部分有机物。而后，进行烧结处理以获得陶瓷。其中烧结是指：在高温下，陶瓷薄圆坯固体颗粒会发生相互键联、晶粒长大、空隙(气孔)和晶面逐渐减少的现象，并且在此过程中通过物质的传递，陶瓷薄圆坯总体积收缩、密度增加，最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体。
步骤四中进行被电极处理，即抛光陶瓷的两面并印刷上铂/金电极。被电极是指在烧结过的陶瓷薄圆坯上设置一层金属薄膜，本申请选用铂、金。而后进行极化处理，其中极化是指将强电场施加到有电极的陶瓷薄圆坯上的一个过程，该过程的作用是可以使陶瓷样品中的杂乱无序的自发极化产生朝某一方向的排列，即定向排列。陶瓷样品经过极化，能将其存在的压电性能激发出来，因此充分有效的极化过程对于陶瓷样品下一步的性能测量工作来说是很重要的。
在一个优选的实施例中，步骤一中氧化物原料和/或碳酸盐原料的总质量与无水乙醇的质量比为1.5:1，混合时间为4h-8h。
在一个优选的实施例中，步骤一中浆料干燥的温度为110-130℃，浆料预烧的温度为700℃-900℃，浆料预烧的升温速率为2℃/min-3℃/min，浆料保温的时间为3h-6h。
在一个优选的实施例中，步骤二中二次球磨的时间为12-24h，粘合剂为浓度8％的聚乙烯醇水溶液，粘合剂的用量为第二粉体总质量的12％。本发明选用浓度8％的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂能够被烧去，同时又不会改变坯体的组成成分。
在一个优选的实施例中，步骤二中薄圆坯的直径为15mm、厚度为2mm。
在一个优选的实施例中，步骤三中排胶的温度为600℃-850℃，排胶的时间为1h，薄圆坯的烧结温度为1060℃-1120℃，烧结的保温时间为2h-4h，烧结的升温速率不高于5℃/min。选用该排胶温度可以排除大部分有机物。
在一个优选的实施例中，步骤四中陶瓷的两面印刷上铂/金电极后进行保温的温度为900℃-1000℃、保温时长为10min-30min。
在一个优选的实施例中，步骤四中极化的温度为200℃-220℃，极化的电压为10kV/mm-14kV/mm，极化的时间为20min-40min。选用上述极化参数，能够充分有效地进行极化。
本发明提供的兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷及其制备方法，具有如下有益效果：
(1)采用A、B位离子和离子团共掺杂的方法，致使晶格畸变。A、B位共掺更能发挥多元复合掺杂改性的优势，制得的BTN基陶瓷(本发明提供的铋层状陶瓷)具有压电常数大、居里温度高和高温电阻率高的优势。将BTN基陶瓷的压电常数d33＝7pC/N提高至18.1pC/N，高温电阻率从2.59×104Ω·cm@500℃提高至2.08×107Ω·cm@500℃。
(2)采用特定极化温度和极化电场，掺杂改性BTN基陶瓷材料，极化充分，压电性能得到充分开发。
(3)本发明提供的铋层状结构压电陶瓷材料采用传统的固相反应法即可制备，制备工艺简单稳定，操作方便，适合大规模工业生产的推广，在高温压电传感器领域具有实际的应用价值。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是根据本发明实施例1所制备的铋层状陶瓷的介电温谱图；
图2是根据本发明实施例1-3所制备的铋层状陶瓷d33值随退火温度变化图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
为了在保持铋层状结构压电陶瓷材料高居里温度的同时，协同提高其高温电阻率和压电常数，本发明提供了一种兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷及其制备方法，通过Li+离子、(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)4+离子团掺杂改性提高BTN基压电陶瓷性能，以满足高温压电传感器所需，为铋层状结构压电陶瓷材料在高温领域的应用起到了推进作用
纯BTN陶瓷存在如下缺点：(1)压电常数低(d33＝7pC/N)；(2)高温下电阻率低(2.59×104Ω·cm@500℃)。贫瘠的压电性能限制材料和器件应用。
因此，本申请提供一种兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷，采用A、B位离子和离子团共掺杂的方法，致使晶格畸变，制得的BTN基压电陶瓷材料与纯BTN陶瓷相比，压电常数和高温电阻率获得大幅提升。一种兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷，其中，铋层状陶瓷的分子通式为：LixBi1-x/3(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)yTi1-yNbO9，铋层状陶瓷采用Li+离子取代部分Bi3+离子以及采用(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)4+离子团取代部分Ti4+离子，其中分子通式中x的取值范围为：0.02≥x>0，y的取值范围为：0.15≥y>0，x、y均为摩尔分数。
在具体的实施例中，铋层状陶瓷的分子通式中锂(Li)源为Li2CO3、铋(Bi)源为Bi2O3、锰(Mn)源为MnO或MnO2或MnCO3、锑(Sb)源为Sb2O3、锆(Zr)源为ZrO2、钛(Ti)源为TiO2、铌(Nb)源为Nb2O5。上述所列的氧化物原料和/或碳酸盐原料的纯度均为分析纯。虽然本发明以Li、Bi、Mn、Sb、Zr、Ti、Nb取自Li2CO3、Bi2O3、MnO/MnO2/MnCO3、Sb2O3、ZrO2、TiO2、Nb2O5为例说明，但不仅限于此具体氧化物或碳酸盐，而是可以采用其他锂化合物、铋化合物、锰化合物、锑化合物、锆化合物、钛化合物、铌化合物。
本申请还提供了兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：固相法制备陶瓷粉体
按照分子通式LixBi1-x/3(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)yTi1-yNbO9其中(0.02≥x>0、0.15≥y>0)的化学计量比分别称取相应的氧化物原料和/或碳酸盐原料，即锂源为Li2CO3、铋源为Bi2O3、锰源为MnO或MnO2或MnCO3、锑源为Sb2O3、锆源为ZrO2、钛源为TiO2、铌源为Nb2O5，纯度均为分析纯。将氧化物原料和/或碳酸盐原料置入尼龙球磨罐中，以无水乙醇为分散介质，其中氧化物原料和/或碳酸盐原料的总质量与无水乙醇的质量比为1.5:1。使用行星球磨机进行混合4h-8h，转速150rpm-300rpm，获得浆料。将浆料置于110℃-130℃温度烘箱中干燥，再于700℃-900℃温度下预烧，升温速率为2℃/min-3℃/min，保温3h-6h得到第一粉体。
步骤二：球磨、造粒、成型
将第一粉体进行二次球磨，时间为12h-24，烘干经过二次球磨的第一粉体，获得第二粉体。往第二粉体加入浓度为8％的聚乙烯醇水溶液(PVA水溶液)作为粘合剂，该粘合剂的加入量与第二粉体质量之比为12％。研磨均匀，过60目筛子后压制成直径15mm、厚度2mm的薄圆坯。
步骤二中采用的粘合剂具体制作方法为：按照一定的比例的质量比将聚乙稀醇加入到蒸馏水中，以90℃左右的水浴进行加热，不断搅样至聚乙烯醇全部融化，冷却后加入2-3％甘油左右即可。
步骤三：排胶、烧结
薄圆坯经过600℃-850℃保温1h排出粘合剂，然后将薄圆坯于1060℃-1120℃下进行烧结处理，保温2h-4h制得陶瓷，升温速率不高于5℃/min。
步骤四：被电极、极化
将完成烧结的陶瓷样品两面抛光至厚度为0.7mm，印刷铂/金电极，再于900℃-1000℃温度保温10min-30min以完成烧制电极。在200℃-220℃硅油中施加10kV/mm-14kV/mm的直流电场保持20min-40min，最终获得铋层状陶瓷。由于空气的击穿强度低，而所施加的电压比较高，所以为了保证极化的顺利进行，本发明选择在绝缘性比较好的硅油中进行。将极化后的样品放置24小时后，进行相关参数的测量，包括压电常数、介电常数、介电损耗等。
以下为本发明铋层状陶瓷制备方法的几个具体示例：
实施例1
步骤一：固相法制备陶瓷粉体
针对分子式LixBi1-x/3(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)yTi1-yNbO9，其中(x＝0.02、y＝0.05)，按化学计量比称取Li2CO3、Bi2O3、MnO、Sb2O3、ZrO2、TiO2、Nb2O5，纯度均为分析纯，并置入尼龙球磨罐中，以无水乙醇为分散介质，使用行星球磨机进行混合8h，转速300rpm，获得浆料。将浆料置于130℃温度烘箱中干燥，再于900℃温度下预烧，升温速率2℃/min，保温3h得到第一粉体。
步骤二：球磨、造粒、成型
将第一粉体进行二次球磨，时间为24h，烘干经过二次球磨的第一粉体，获得第二粉体。往第二粉体加入浓度为8％的聚乙烯醇水溶液(PVA水溶液)作为粘合剂，该粘合剂的加入量与第二粉体质量之比为12％。研磨均匀，过60目筛子后压制成直径15mm、厚度2mm的薄圆坯。
步骤三：排胶、烧结
经过850℃保温1h排出粘合剂，然后将薄圆坯于1120℃下进行烧结处理，保温4h制得陶瓷，升温速率5℃/min。
步骤四：被电极、极化
将完成烧结的陶瓷样品两面抛光至厚度为0.7mm，印刷铂电极，再于1000℃温度保温30min以完成烧制电极。在220℃硅油中施加14kV/mm的直流电场保持40min，最终获得铋层状陶瓷。
实施例1制得的铋层状陶瓷压电性能如下：压电常数d33＝18.1pC/N、介电损耗tanδ＝0.20％、居里温度Tc＝890℃、500℃电阻率2.08×107Ω·cm。图1示出了实施例1所制备的铋层状陶瓷的介电温谱图，由图1可看出该铋层状陶瓷的居里温度Tc＝890℃，显示了该铋层状陶瓷具备高温下工作的潜能。
实施例2
步骤一：固相法制备陶瓷粉体
针对分子式LixBi1-x/3(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)yTi1-yNbO9，其中(x＝0.02、y＝0.075)，按化学计量比称取Li2CO3、Bi2O3、MnO、Sb2O3、ZrO2、TiO2、Nb2O5，纯度均为分析纯，并置入尼龙球磨罐中，以无水乙醇为分散介质，使用行星球磨机进行混合4h，转速200rpm，获得浆料。将浆料置于110℃温度烘箱中干燥，再于700℃温度下预烧，升温速率3℃/min，保温6h得到第一粉体。
步骤二：球磨、造粒、成型
将第一粉体进行二次球磨，时间为12h，烘干经过二次球磨的第一粉体，获得第二粉体。往第二粉体加入浓度为8％的聚乙烯醇水溶液(PVA水溶液)作为粘合剂，该粘合剂的加入量与第二粉体质量之比为12％。研磨均匀，过60目筛子后压制成直径15mm、厚度2mm的薄圆坯。
步骤三：排胶、烧结
经过600℃保温1h排出粘合剂，然后将薄圆坯于1060℃下进行烧结处理，保温2h制得陶瓷，升温速率4℃/min。
步骤四：被电极、极化
将完成烧结的陶瓷样品两面抛光至厚度为0.7mm，印刷铂电极，再于900℃温度保温20min以完成烧制电极。在220℃硅油中施加12kV/mm的直流电场保持20min，最终获得铋层状陶瓷。
实施例2制得的铋层状陶瓷压电性能如下：压电常数d33＝12.1pC/N、介电损耗tanδ＝0.5％、居里温度Tc＝879℃、500℃电阻率2.5×107Ω·cm。
实施例3
步骤一：固相法制备陶瓷粉体
针对分子式LixBi1-x/3(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)yTi1-yNbO9，其中(x＝0.02、y＝0.03)，按化学计量比称取Li2CO3、Bi2O3、MnO、Sb2O3、ZrO2、TiO2、Nb2O5，纯度均为分析纯，并置入尼龙球磨罐中，以无水乙醇为分散介质，使用行星球磨机进行混合4h，转速150rpm，获得浆料。将浆料置于110℃温度烘箱中干燥，再于850℃温度下预烧，升温速率3℃/min，保温3h得到第一粉体。
步骤二：球磨、造粒、成型
将第一粉体进行二次球磨，时间为12h，烘干经过二次球磨的第一粉体，获得第二粉体。往第二粉体加入浓度为8％的聚乙烯醇水溶液(PVA水溶液)作为粘合剂，该粘合剂的加入量与第二粉体质量之比为12％。研磨均匀，过60目筛子后压制成直径15mm、厚度2mm的薄圆坯。
步骤三：排胶、烧结
经过850℃保温1h排出粘合剂，然后将薄圆坯于1060℃下进行烧结处理，保温3h制得陶瓷，升温速率4℃/min。
步骤四：被电极、极化
将完成烧结的陶瓷样品两面抛光至厚度为0.7mm，印刷铂电极，再于1000℃温度保温20min以完成烧制电极。在200℃硅油中施加10kV/mm的直流电场保持30min，最终获得铋层状陶瓷。
实施例3制得的铋层状陶瓷压电性能如下：压电常数d33＝12.1pC/N、介电损耗tanδ＝0.15％、居里温度Tc＝897℃、500℃电阻率1.2×107Ω·cm。
图2示出了实施例1-3所制备的铋层状陶瓷d33值随退火温度变化图，如图2所示，由本发明提供的制备方法所制得的铋层状陶瓷在保持BTN基压电陶瓷材料高居里温度的同时，协同提高其压电常数(d33＝18pC/N)，具有实用价值。
实施例4
步骤一：固相法制备陶瓷粉体
针对分子式LixBi1-x/3(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)yTi1-yNbO9，其中(x＝0.02、y＝0.1)，按化学计量比称取Li2CO3、Bi2O3、MnO、Sb2O3、ZrO2、TiO2、Nb2O5，纯度均为分析纯，并置入尼龙球磨罐中，以无水乙醇为分散介质，使用行星球磨机进行混合8h，转速200rpm，获得浆料。将浆料置于130℃温度烘箱中干燥，再于900℃温度下预烧，升温速率2℃/min，保温3h得到第一粉体。
步骤二：球磨、造粒、成型
将第一粉体进行二次球磨，时间为24h，烘干经过二次球磨的第一粉体，获得第二粉体。往第二粉体加入浓度为8％的聚乙烯醇水溶液(PVA水溶液)作为粘合剂，该粘合剂的加入量与第二粉体质量之比为12％。研磨均匀，过60目筛子后压制成直径15mm、厚度2mm的薄圆坯。
步骤三：排胶、烧结
经过850℃保温1h排出粘合剂，然后将薄圆坯于1120℃下进行烧结处理，保温4h制得陶瓷，升温速率4℃/min。
步骤四：被电极、极化
将完成烧结的陶瓷样品两面抛光至厚度为0.7mm，印刷铂电极，再于1000℃温度保温30min以完成烧制电极。在220℃硅油中施加12kV/mm的直流电场保持40min，最终获得铋层状陶瓷。
实施例4制得的铋层状陶瓷压电性能如下：压电常数d33＝10.5pC/N、介电损耗tanδ＝0.61％、居里温度Tc＝870℃、500℃电阻率2.3×107Ω·cm。
实施例5
步骤一：固相法制备陶瓷粉体
针对分子式LixBi1-x/3(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)yTi1-yNbO9，其中(x＝0.01、y＝0.15)，按化学计量比称取Li2CO3、Bi2O3、MnO、Sb2O3、ZrO2、TiO2、Nb2O5，纯度均为分析纯，并置入尼龙球磨罐中，以无水乙醇为分散介质，使用行星球磨机进行混合8h，转速300rpm，获得浆料。将浆料置于130℃温度烘箱中干燥，再于900℃温度下预烧，升温速率2℃/min，保温3h得到第一粉体。
步骤二：球磨、造粒、成型
将第一粉体进行二次球磨，时间为24h，烘干经过二次球磨的第一粉体，获得第二粉体。往第二粉体加入浓度为8％的聚乙烯醇水溶液(PVA水溶液)作为粘合剂，该粘合剂的加入量与第二粉体质量之比为12％。研磨均匀，过60目筛子后压制成直径15mm、厚度2mm的薄圆坯。
步骤三：排胶、烧结
经过850℃保温1h排出粘合剂，然后将薄圆坯于1080℃下进行烧结处理，保温4h制得陶瓷，升温速率5℃/min。
步骤四：被电极、极化
将完成烧结的陶瓷样品两面抛光至厚度为0.7mm，印刷铂电极，再于1000℃温度保温30min以完成烧制电极。在220℃硅油中施加12kV/mm的直流电场保持40min，最终获得铋层状陶瓷。
实施例5制得的铋层状陶瓷压电性能如下：压电常数d33＝10.8pC/N、介电损耗tanδ＝0.12％、居里温度Tc＝899℃、500℃电阻率1.5×107Ω·cm。
实施例6
步骤一：固相法制备陶瓷粉体
针对分子式LixBi1-x/3(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)yTi1-yNbO9，其中(x＝0.02、y＝0.025)，按化学计量比称取Li2CO3、Bi2O3、MnO、Sb2O3、ZrO2、TiO2、Nb2O5，纯度均为分析纯，并置入尼龙球磨罐中，以无水乙醇为分散介质，使用行星球磨机进行混合8h，转速300rpm，获得浆料。将浆料置于130℃温度烘箱中干燥，再于900℃温度下预烧，升温速率2℃/min，保温3h得到第一粉体。
步骤二：球磨、造粒、成型
将第一粉体进行二次球磨，时间为24h，烘干经过二次球磨的第一粉体，获得第二粉体。往第二粉体加入浓度为8％的聚乙烯醇水溶液(PVA水溶液)作为粘合剂，该粘合剂的加入量与第二粉体质量之比为12％。研磨均匀，过60目筛子后压制成直径15mm、厚度2mm的薄圆坯。
步骤三：排胶、烧结
经过850℃保温1h排出粘合剂，然后将薄圆坯于1080℃下进行烧结处理，保温4h制得陶瓷，升温速率5℃/min。
步骤四：被电极、极化
将完成烧结的陶瓷样品两面抛光至厚度为0.7mm，印刷铂电极，再于1000℃温度保温30min以完成烧制电极。在220℃硅油中施加14kV/mm的直流电场保持40min，最终获得铋层状陶瓷。
实施例6制得的铋层状陶瓷压电性能如下：压电常数d33＝10.5pC/N、介电损耗tanδ＝0.12％、居里温度Tc＝899℃、500℃电阻率5.5×107Ω·cm。
实施例1至实施例6所制得的铋层状陶瓷性能参数如下：
上表列举了实施例1至实施例6制得的铋层状陶瓷性能参数，可以看出，A位引入Li+取代部分Bi3+离子和B位引入锰、锑、锆离子团(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)4+取代部分Ti4+离子，制得的铋层状陶瓷的d33值显著提升，且受掺杂含量影响极大，呈现先升后降的趋势。居里温度随掺杂量的增加，呈现下降趋势。高温电阻率随掺杂含量增加，有先升高后下降的趋势。其中，实施例1制备的铋层状陶瓷综合性能最佳，具备最高d33值，且高温电阻率也保持高水平。
本申请提出的一种兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷及其制备方法，在A位引入锂(Li+)取代部分Bi3+离子和B位引入锰、锑、锆离子团(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)4+取代部分Ti4+，以改性提高BTN基压电陶瓷性能。A、B位共掺更能发挥多元复合掺杂改性的优势，制得BTN基陶瓷(即本申请的铋层状陶瓷)具有压电常数大、居里温度高和高温电阻率高的优势，将BTN基陶瓷的压电常数d33＝7pC/N提高至18.1pC/N，高温电阻率从2.59×104Ω·cm@500℃提高至2.08×107Ω·cm@500℃。采用特定极化温度和极化电场，掺杂改性BTN基陶瓷材料，极化充分，压电性能得到充分开发。而且本发明提供的铋层状结构压电陶瓷材料采用传统的固相反应法即可制备，制备工艺简单稳定，操作方便，适合大规模工业生产的推广，在高温压电传感器领域具有实际的应用价值。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷，其特征在于，所述铋层状陶瓷的分子通式为：LixBi1-x/3(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)yTi1-yNbO9，所述铋层状陶瓷采用Li+离子取代部分Bi3+离子以及采用(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)4+离子团取代部分Ti4+离子，其中所述分子通式中x的取值范围为：0.02≥x>0，y的取值范围为：0.15≥y>0，x、y均为摩尔分数。
2.根据权利要求1所述的兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷，其特征在于，所述铋层状陶瓷的分子通式中锂源为Li2CO3、铋源为Bi2O3、锰源为MnO或MnO2或MnCO3、锑源为Sb2O3、锆源为ZrO2、钛源为TiO2、铌源为Nb2O5。
3.如权利要求1-2中任一所述的兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一、按照所述分子通式LixBi1-x/3(Mn1/4Sb1/2Zr1/4)yTi1-yNbO9的化学计量比分别称取相应的氧化物原料和/或碳酸盐原料，将所述氧化物原料和/或碳酸盐原料与无水乙醇混合后进行球磨，获得浆料，对所述浆料依次进行干燥、预烧以及保温处理后，获得第一粉体；
步骤二、将所述第一粉体进行二次球磨后烘干，获得第二粉体，往所述第二粉体加入粘合剂，研磨均匀过细筛后压制成薄圆坯；
步骤三、将所述薄圆坯经排胶后进行烧结处理，获得陶瓷；
步骤四、抛光所述陶瓷的两面并印刷上铂/金电极后，进行保温以及极化处理，最终获得所述铋层状陶瓷。
4.根据权利要求3所述的兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤一中所述氧化物原料和/或碳酸盐原料的总质量与所述无水乙醇的质量比为1.5:1，所述混合时间为4h-8h。
5.根据权利要求3所述的兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤一中所述浆料干燥的温度为110-130℃，所述浆料预烧的温度为700℃-900℃，所述浆料预烧的升温速率为2℃/min-3℃/min，所述浆料保温的时间为3h-6h。
6.根据权利要求3所述的兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤二中所述二次球磨的时间为12-24h，所述粘合剂为浓度8％的聚乙烯醇水溶液，所述粘合剂的用量为所述第二粉体总质量的12％。
7.根据权利要求3所述的兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤二中所述薄圆坯的直径为15mm、厚度为2mm。
8.根据权利要求3所述的兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤三中所述排胶的温度为600℃-850℃，所述排胶的时间为1h，所述薄圆坯的烧结温度为1060℃-1120℃，所述烧结的保温时间为2h-4h，所述烧结的升温速率不高于5℃/min。
9.根据权利要求3所述的兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤四中所述陶瓷的两面印刷上铂/金电极后进行保温的温度为900℃-1000℃、保温时长为10min-30min。
10.根据权利要求3所述的兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤四中所述极化的温度为200℃-220℃，所述极化的电压为10kV/mm-14kV/mm，所述极化的时间为20min-40min。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310402123.7A CN116462506A (zh) | 2023-04-14 | 2023-04-14 | 一种兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310402123.7A CN116462506A (zh) | 2023-04-14 | 2023-04-14 | 一种兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116462506A true CN116462506A (zh) | 2023-07-21 |
Family
ID=87176559
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310402123.7A Pending CN116462506A (zh) | 2023-04-14 | 2023-04-14 | 一种兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116462506A (zh) |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005162527A (ja) * | 2003-12-02 | 2005-06-23 | Tdk Corp | 圧電セラミックス原料粉末、圧電セラミックスおよびその製造方法、圧電素子 |
| CN1654423A (zh) * | 2005-01-22 | 2005-08-17 | 浙江嘉康电子股份有限公司 | 复合铋层状结构无铅压电陶瓷组合物 |
| CN1733650A (zh) * | 2004-06-17 | 2006-02-15 | 株式会社电装 | 晶粒取向陶瓷及其制造方法 |
| CN101186497A (zh) * | 2007-12-07 | 2008-05-28 | 华南理工大学 | 一种提高铋层结构压电铁电陶瓷材料高温电阻率的方法 |
| CN102173453A (zh) * | 2011-01-27 | 2011-09-07 | 哈尔滨工业大学 | 光学温度传感材料Bi3TiNbO9：Er3+/Yb3+及其薄膜的制备方法 |
| CN104529447A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-04-22 | 中国科学院声学研究所 | 铋层状复合结构压电陶瓷材料及其制备方法 |
| CN107500749A (zh) * | 2017-08-16 | 2017-12-22 | 厦门乃尔电子有限公司 | 一种铋层状结构压电陶瓷材料及其制备方法 |
| CN111269009A (zh) * | 2020-01-20 | 2020-06-12 | 北京大学 | 一种锆锰酸铋-钪酸铋-钛酸铅系压电陶瓷材料及其制备方法 |
| CN113896526A (zh) * | 2021-10-22 | 2022-01-07 | 厦门乃尔电子有限公司 | 一种压电性高、高温绝缘性好的压电材料及其制备方法 |
| CN114455944A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-05-10 | 厦门乃尔电子有限公司 | 一种铋层状结构压电陶瓷材料及其制备方法 |
-
2023
- 2023-04-14 CN CN202310402123.7A patent/CN116462506A/zh active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005162527A (ja) * | 2003-12-02 | 2005-06-23 | Tdk Corp | 圧電セラミックス原料粉末、圧電セラミックスおよびその製造方法、圧電素子 |
| CN1733650A (zh) * | 2004-06-17 | 2006-02-15 | 株式会社电装 | 晶粒取向陶瓷及其制造方法 |
| CN1654423A (zh) * | 2005-01-22 | 2005-08-17 | 浙江嘉康电子股份有限公司 | 复合铋层状结构无铅压电陶瓷组合物 |
| CN101186497A (zh) * | 2007-12-07 | 2008-05-28 | 华南理工大学 | 一种提高铋层结构压电铁电陶瓷材料高温电阻率的方法 |
| CN102173453A (zh) * | 2011-01-27 | 2011-09-07 | 哈尔滨工业大学 | 光学温度传感材料Bi3TiNbO9：Er3+/Yb3+及其薄膜的制备方法 |
| CN104529447A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-04-22 | 中国科学院声学研究所 | 铋层状复合结构压电陶瓷材料及其制备方法 |
| CN107500749A (zh) * | 2017-08-16 | 2017-12-22 | 厦门乃尔电子有限公司 | 一种铋层状结构压电陶瓷材料及其制备方法 |
| CN111269009A (zh) * | 2020-01-20 | 2020-06-12 | 北京大学 | 一种锆锰酸铋-钪酸铋-钛酸铅系压电陶瓷材料及其制备方法 |
| CN113896526A (zh) * | 2021-10-22 | 2022-01-07 | 厦门乃尔电子有限公司 | 一种压电性高、高温绝缘性好的压电材料及其制备方法 |
| CN114455944A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-05-10 | 厦门乃尔电子有限公司 | 一种铋层状结构压电陶瓷材料及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang et al. | High energy storage density and discharging efficiency in La3+/Nb5+-co-substituted (Bi0. 5Na0. 5) 0.94 Ba0. 06TiO3 ceramics | |
| CN107078316B (zh) | 取向性磷灰石型氧化物离子导体及其制造方法 | |
| Bhattacharya et al. | Susceptor-assisted enhanced microwave processing of ceramics-a review | |
| CN113213930B (zh) | 一种多元素掺杂铌酸钾钠基压电陶瓷及其制备方法 | |
| CN111978082B (zh) | 一种铌镁酸锶掺杂改性钛酸铋钠基储能陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN116120054B (zh) | 一种钛酸铋钙基压电陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN111170735B (zh) | 一种高电能存储效率的陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN113307619A (zh) | 一种铁酸铋-钛酸铅-铌镁酸铋三元体系高温压电陶瓷的制备方法 | |
| CN113666743A (zh) | 一种knn基透明储能陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN113582667B (zh) | 一种可低温共烧的高储能反铁电陶瓷材料及其制备方法和应用 | |
| CN109320244B (zh) | 一种低温烧结压电陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN107903055B (zh) | 一种梯度掺杂钛酸铋钠基多层无铅压电陶瓷 | |
| CN116813331A (zh) | 钛酸锶陶瓷及其制备方法和应用 | |
| CN114276128B (zh) | 一种降低铁酸铋-钛酸钡压电陶瓷漏电流以及提高其高温电阻率的方法 | |
| CN116462506A (zh) | 一种兼具优异高温绝缘性及压电性的铋层状陶瓷及其制备方法 | |
| CN113800904A (zh) | 一种高能量低损耗的BNT-SBT-xSMN陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN112851336A (zh) | 一种钛酸铋钠铋层状压电陶瓷的制备方法 | |
| KR20080108781A (ko) | 비납계 압전 세라믹스 조성물 및 그 제조방법 | |
| JP3077054B2 (ja) | 耐熱導電性セラミックス | |
| CN115286386B (zh) | 一种非化学计量Nb5+的铌钽锆铁酸钾钠铋陶瓷及其制备方法 | |
| CN115894021B (zh) | 一种高机械品质因数硬性压电陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN115433008B (zh) | 一种自组分调控具有高压电性能及高温电阻率的铌酸铋钙压电陶瓷及其制备方法 | |
| CN116217226B (zh) | 一种bs-pt基高温压电陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN116143515B (zh) | 一种knn基无铅弛豫铁电储能陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN110723970B (zh) | 一种温度稳定性强的高温电子陶瓷材料及制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |