改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于压电陶瓷材料，具体来说涉及一种改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、加速度传感器是一种用于测量加速力的惯性传感装置，常见类型包括压电式、压阻式、电容式及应变式等。其中，压电式加速度传感器因具备灵敏度高、体积小和重量轻等优势而受到广泛关注。高灵敏度传感器的核心敏感元件通常采用具有优异压电效应的锆钛酸铅（pzt）基陶瓷材料。然而，传统pzt陶瓷的压电性能在高温环境下易发生显著退化，导致传感器的输出稳定性下降。因此需要通过元素掺杂、相界调控或复合改性等手段对材料进行高性能化改造，以获得兼具高灵敏度与良好温度稳定性的改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料。

2、随着航空航天、石油化工、能源等工业领域的发展，对能够在高温环境中稳定运行的电子设备需求日益迫切。民用电子产品通常需在75℃左右工作，军用电子器件则需耐受约125℃的温度。然而，许多新兴应用场景对耐温性能提出了更高要求。例如，在石油开采领域，深层钻探所需的高温电子系统和传感器需在200℃以上环境采集压力、温度等数据，且随着钻井深度增加，工作温度持续升高。在汽车工业中，动态燃料喷射喷嘴、振动传感器等部件的工作温度可达300℃。传感器的温度响应直接影响其测试精度，传感器的温度响应特性在很大程度上取决于压电敏感元件的本征性能。改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料可通过调节居里温度和介电温度稳定性来改善传感器在全温区的输出线性度。然而，目前现有压电式加速度传感器因敏感材料自身的温度依赖性较强，存在温度响应偏差大的问题，其灵敏度偏差往往高于±10%，严重制约了其在极端高温场景下的工程应用。因此，急需开发一种基于改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料的新型压电式加速度传感器，以期在高温下实现高灵敏度输出以及灵敏度温度响应偏差的显著降低。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料，其为pb1-xbax((1-y)(zr0.52ti0.48))o3+y(yb1/2nb1/2)，该改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料在有效提升压电性能的同时，保持了高居里温度。

2、本发明的另一目的在于提供一种改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料的制备方法，该制备方法通过利用ba2+取代pb元素，（yb1/2nb1/2）4+复合离子取代（zr、ti）元素，并控制（yb1/2nb1/2）4+的掺杂量进行有效掺杂改性。

3、本发明的另一目的在于提供上述改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料在加速度传感器中的应用。

4、本发明的另一目的在于提供一种剪切型压电式高温加速度传感器。

5、本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的。

6、一种改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料，其为掺杂有镱（yb）和铌（nb）的置换型固溶体，置换型固溶体为pb1-xbax((1-y)(zr0.52ti0.48))o3，按物质的量份数计，镱和铌的比为1：1，按物质的量份数计，镱和置换型固溶体的比为0.5y：1，其中，0.01＜x≤0.10，0.01≤y＜0.10。

7、在上述技术方案中，置换型固溶体为掺杂有ba的锆钛酸铅（pzt），锆钛酸铅（pzt）为钛酸铅（pbtio3）和锆酸铅（pbzro3）形成的固溶体。

8、在上述技术方案中，0.02≤x≤0.10，优选为0.03＜x≤0.05；0.01≤y≤0.05，优选为0.01＜y≤0.03。

9、一种改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

10、步骤1，将pb源、ba源、zr源、ti源、yb源和nb源混合，得到混合原料，将混合原料球磨至混合均匀，得到第一混合料，将所述第一混合料于850~950℃预烧结2~4h，得到预烧结材料，其中，按物质的量份数计，所述pb源中pb、ba源中ba、zr源中zr、ti源中ti、yb源中yb和nb源中nb的比为（1-x）：x：0.52(1-y)：0.48(1-y)：0.5y：0.5y，其中，0.01＜x≤0.10，0.01≤y＜0.10；

11、在所述步骤1中，所述pb源为pb3o4，ba源为baco3，zr源为zro2，ti源为tio2，yb源为yb2o3，nb源为nb2o5。

12、在所述步骤1中，所述球磨采用湿磨，湿磨的介质为乙醇，按质量份数计，乙醇和混合原料的比为（0.5~1）：1。

13、在所述步骤1中，所述预烧结于空气环境中进行。

14、步骤2，将所述预烧结材料进行第二次球磨至混合均匀，得到第二混合料，造粒，真空封装，温等静压，得到生胚柱；

15、在所述步骤2中，所述球磨采用湿磨，湿磨的介质为乙醇，按质量份数计，步骤2中乙醇和预烧结材料的比为（0.5~1）：1。

16、在所述步骤2中，所述造粒包括：将第二混合料和粘合剂混合，按质量份数计，第二混合料和粘合剂的比为（2~12）：1。

17、在上述技术方案中，所述粘合剂为聚乙烯醇水溶液，所述聚乙烯醇水溶液包括：聚乙烯醇（pva）和水，按质量份数计，聚乙烯醇水溶液中水和聚乙烯醇的比为（15~20）：1。

18、在所述步骤2中，所述真空封装包括：在2~4mpa压力下压柱封装。

19、在所述步骤2中，所述温等静压的压力为30~50mpa，所述温等静压的保压时间为10~20s，所述温等静压的温度为25~40℃，达到所述30~50mpa的升压速率为2~3mpa/s。

20、在所述步骤2中，生胚柱的直径为9~10mm，生胚柱的厚度为10~13mm。

21、在所述步骤1和步骤2中，所述球磨的球料比为（3~5）：1。

22、在所述步骤1和步骤2中，所述球磨的转速为300~400r/min，球磨的时间为8~12h。

23、步骤3，将所述生胚柱进行排胶处理，于1000~1300℃烧结3~7h，得到陶瓷材料，裁切，先后依次进行双面被电极、电极烧结和硅油中高压极化，得到改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料。

24、在所述步骤3中，排胶处理的温度为550~650℃，排胶处理的时间为0.5~2h。

25、在所述步骤3中，排胶处理的升温速率为3~5℃/min。

26、在所述步骤3中，所述烧结于空气环境中进行。

27、在所述步骤3中，以3~5℃/min的升温速率升至所述1000~1300℃。

28、在所述步骤3中，所述电极烧结包括：在空气氛围下，于800~890℃保温10~40min。

29、在所述步骤3中，所述硅油中高压极化包括：于120~200℃的硅油中，以2~8kv/mm极化场强极化30~40min，极化电压类型为直流电压。

30、上述改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料在加速度传感器中的应用。

31、一种剪切型压电式高温加速度传感器，包括：接嘴、壳体、芯体和底座，所述壳体为一底面敞口的腔体，所述底座固装在壳体的敞口上并与壳体围成一密闭的空间，所述接嘴固装在壳体的顶面上，所述芯体安装在腔体内，芯体包括：中心柱、n个陶瓷片、n个质量块和紧固圈，所述中心柱竖直设置并固装在底座上，中心柱形成有n个平面，n个平面均匀分布于中心柱的圆周，每个平面上贴有一个竖直设置的陶瓷片，每个陶瓷片外贴有一个竖直放置的质量块，紧固圈套设在n个质量块外，用于将n个陶瓷片和n个质量块压在中心柱上，所述中心柱上伸出一根高温导线与接嘴的负极电连接，紧固圈上伸出另一根高温导线与接嘴的正极电连接，其中，n为3，所述陶瓷片为上述改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料。

32、在上述技术方案中，每个陶瓷片的正极与其沿顺时针圆周方向的另一个陶瓷片的负极连接。

33、在上述技术方案中，所述剪切型压电式高温加速度传感器可在-70~300℃范围应用。

34、在上述技术方案中，所述剪切型压电式高温加速度传感器在-70~300℃范围应用时，其灵敏度温度响应偏差（温漂）均在±5%以内。

35、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

36、1.本发明的改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料通过ba2+离子取代pb元素，（yb1/2nb1/2）4+复合离子取代（zr、ti）元素，相比于传统锆钛酸铅基陶瓷材料，本发明的改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料在保证高居里温度的同时，还提高了压电常数和热稳定性。本发明的改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料的居里温度可达408℃，压电常数高达570pc/n，介电损耗低至1.53%；在300℃高温下的压电常数仍高达560pc/n。

37、2.本发明的改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料在室温~300℃时，压电常数温漂微小，压电常数温漂在1.7%以内，能够在300℃下长期稳定运行。

38、3.本发明的改性高性能锆钛酸铅陶瓷材料作为核心元件组装的剪切型压电式高温加速度传感器在-70~300℃范围内，其灵敏度温度响应偏差（温漂）均保持在±5%以内，且可在300℃下稳定工作。

39、4.本发明的制备方法简单，成本低廉，适合大批量工业生产。