一种压电陶瓷及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种复合耐高温压电陶瓷及其制备方法，属于压电陶瓷生产技术领域。


背景技术：

2.高温压电陶瓷被广泛应用于原子能、航空航天、汽车工业、地质勘测、冶金与石油化工等领域。虽然压电陶瓷在实际的应用中很光泛，但仍然存在一些有待解决的问题，实际应用中最为表现突出的问题就是压电性能方面的退极化问题。也就是说压电材料在使用的环境温度高于材料的居里温度时，便会发生铁电相顺电相变从而使压电性退极化，这样压电材料便会失效。除此之外含铅材料相对于无铅材料的电学性能方面更稳定，但含铅材料在生产、制备、使用及废弃后的处理过程中都会给环境带来严重污染，给人类健康带来很大的损害，严重影响人类的可持续发展。
3.铋层状结构高温压电陶瓷它具有高居里温度、高机械品质因数等特点，是一种较好的高温压电材料，但它压电常数低。(1-x)bisco
3-xpbtio3(bs-pt)陶瓷优异的压电性能（d
33
在460pc/n）及高的居里温度（tc在450℃左右）使之具有了很好的开发价值，但是制备原料中sc2o3价格昂贵，这必成为bs-pt陶瓷开发和应用的一大障碍。虽然biybo
3-pbtio3(by-pt)和biino
3-pbtio3(bi-pt)陶瓷有着高居里温度点，分别约600℃和550℃，但是由于其自身钙钛矿结构不稳定，使其压电性能方面表现很差。因此有必要研制一种既满足性能要求、成本要求，还要满足铅含量低的要求，具有高性能、高压电、介电常数的耐高温压电陶瓷体系。


技术实现要素：

4.为解决现有技术的不足，本发明提供一种压电陶瓷及其制备方法，在控制铅含量的基础上，同时具有高居里温度和较好的压点性能。具体技术方案如下。
5.一种压电陶瓷，其特征在于，其通式为（1-x）bi(mg
0.5
ti
0.5
)
0.88
（sr
0.9
ga
0.1
)
0.12o3-xpbtio3，其中x=0.36~0.42。
6.本发明还提供上述压电陶瓷的制备方法，主要包括以下步骤：步骤一：配料：bi2o3、sro、gao、mgo、tio2和pbo按上述通式摩尔比称量，得到混合均匀的粉体；步骤二：初次球磨:将磨球、酒精和步骤一得到的粉体放入行星式球磨机中研磨均匀；步骤三：预烧：将步骤二得到的混合好的原料放入坩埚中预烧，预烧温度在870℃~920℃之间，保温2-3h；步骤四：二次球磨：将球磨、酒精和步骤三得到的原料放入球磨罐中球磨；步骤五：造粒：在步骤四得到的粉料加入浓度为4-6wt%的粘结剂，然后均匀混合，过180目筛网，得到大小均匀的颗粒；
步骤六：压片成型：将步骤五得到的颗粒压制成型，得到陶瓷胚体；步骤七：排胶：将步骤六获得的陶瓷胚体在惰性气体环境下升温至580-620℃，保温一定时间后，随着将完成真空排胶的胚体置于空气环境下升温至780-820℃，保温一定时间；步骤八：烧结：将步骤七排胶过后的样品放入高温炉进行烧结，在1350-1550
°
c保温3-4 h，然后降温至980-1050
°
c保温1-1.5 h，随后随炉冷至室温，得到陶瓷烧结体；步骤九：烧银电极、极化处理：将陶瓷烧结体清洗涂覆银浆放入烧银炉中于680-720℃保温15-18min；然后进行极化处理，极化条件为：极化电场强度4-5.5kv/mm，极化温度90~110℃，极化时间为15-18min。
7.优选地，步骤二中，磨球：原料：酒精=2:1:2（重量比），球磨时间为12h，球磨机转速为270r/min。
8.优选地，步骤三中粉体的预烧温度为900℃，保温时间为2.5h。
9.优选地，步骤四中，按磨球：原料：酒精=2:1:2（重量比），球磨时间为24h，转速为270r/min。
10.优选地，步骤五中粘结剂为pva（聚乙稀醇）。
11.优选地，步骤七包括真空排胶（惰性气体排胶）和空气排胶；第一步脱脂工艺为真空排胶，坯体在惰性气体环境下以缓慢的升温速度升至600℃，保温4h，其目的在于在保证坯体完整的前提下，将坯体内部的有机物还原成碳；第二步脱脂工艺为空气排胶，将完成真空排胶的坯体置于空气环境下以缓慢的升温速度升至800℃，保温4h，其目的在于使坯体里的碳与氧气结合生成二氧化碳从坯体中排出。
12.优选地，惰性气体为氮气。
13.目前大多数的高温压电陶瓷难以同时具有高居里温度和压电性能，本发明采用了上述技术方案，不仅能同时具有高居里温度和良好的压电性能，还提高了长时间高温工作的稳定性，且含铅量低。满足压电陶瓷在多领域的应用需求，解决了现有的压电陶瓷的电学性能无法满足要求的问题，具有工艺稳定，操作简单，成本低的特点。
附图说明
14.图1是（1-x）bi(mg
0.5
ti
0.5
)
0.88
（sr
0.9
ga
0.1
)
0.12o3-xpbtio3(x=0.36~0.42)陶瓷与（1-x）bi(mg
0.5
ti
0.5
)o
3-xpbtio3(x=0.36~0.42)陶瓷的压电常数d
33
的值。
实施方式
15.下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明：
实施例
16.将bi2o3、sro、gao、mgo、tio2和pbo按通式0.64bi(mg
0.5
ti
0.5
)
0.8
（sr
0.9
ga
0.1
)
0.2o3-0.36pbtio3摩尔比称量，倒入振磨机中振磨6h，得到混合均匀的粉体；按球磨：原料：酒精=2:1:2的比例放入尼龙罐中，采用转速为270r/min的行星式球磨机将所得配料研磨均匀，初次球磨时间为12h。将混合好的粉体放入坩埚中预烧，预烧温度在900℃，保温2.5h。同样按磨球：原料：酒精=2:1:2的比例放入球磨罐中，球磨时间为24h，转速为270r/min。将预烧的
粉料加入浓度为5wt%的粘结剂，然后在研钵内均匀混合，过180目筛网，得到大小均匀的颗粒，使用特定大小磨具压制成型，排胶，并在1450
°
c温度下保温3.5 h烧结得到陶瓷片；将陶瓷样品清洗涂覆银浆放入烧银炉中烧至700℃保温15min。最后极化处理，极化条件为：极化电场强度5kv/mm，极化温度100℃，极化时间为15min，获得耐高温压电陶瓷片。放置24h充分老化后测得复合耐高温压电陶瓷样品综合电性能为：d
33
=196pc/n，tm=385℃，
ɛm=3151，pm=13.4μc/cm2，ec=14.2kv/cm。
实施例
17.将bi2o3、sro、gao、mgo、tio2和pbo按通式0.62bi(mg
0.5
ti
0.5
)
0.85
（sr
0.9
ga
0.1
)
0.15o3-0.38pbtio3摩尔比称量，倒入振磨机中振磨6h，得到混合均匀的粉体；按球磨：原料：酒精=2:1:2的比例放入尼龙罐中，采用转速为270r/min的行星式球磨机将所得配料研磨均匀，初次球磨时间为12h。将混合好的粉体放入坩埚中预烧，预烧温度在920℃，保温2h。同样按磨球：原料：酒精=2:1:2的比例放入球磨罐中，球磨时间为24h，转速为270r/min。将预烧的粉料加入浓度为4wt%的粘结剂，然后在研钵内均匀混合，过180目筛网，得到大小均匀的颗粒，使用特定大小磨具压制成型，排胶，并在1550
°
c温度下保温3 h烧结得到陶瓷片；将陶瓷样品清洗涂覆银浆放入烧银炉中烧至720℃保温15min。最后极化处理，极化条件为：极化电场强度5.5kv/mm，极化温度90℃，极化时间为18min，获得耐高温压电陶瓷片。放置24h充分老化后测得复合耐高温压电陶瓷样品综合电性能为：d
33
=201pc/n，tm=384℃，
ɛm=3548，pm=14.1μc/cm2，ec=16.8kv/cm。
实施例
18.将bi2o3、sro、gao、mgo、tio2和pbo按通式0.6bi(mg
0.5
ti
0.5
)
0.9
（sr
0.9
ga
0.1
)
0.1o3-0.4pbtio3摩尔比称量，倒入振磨机中振磨6h，得到混合均匀的粉体；按球磨：原料：酒精=2:1:2的比例放入尼龙罐中，采用转速为270r/min的行星式球磨机将所得配料研磨均匀，初次球磨时间为12h。将混合好的粉体放入坩埚中预烧，预烧温度在870℃，保温3h。同样按磨球：原料：酒精=2:1:2的比例放入球磨罐中，球磨时间为24h，转速为270r/min。将预烧的粉料加入浓度为6wt%的粘结剂，然后在研钵内均匀混合，过180目筛网，得到大小均匀的颗粒，使用特定大小磨具压制成型，排胶，并在1350
°
c温度下保温4 h烧结得到陶瓷片；将陶瓷样品清洗涂覆银浆放入烧银炉中烧至680℃保温18min。最后极化处理，极化条件为：极化电场强度4kv/mm，极化温度110℃，极化时间为15min，获得耐高温压电陶瓷片。放置24h充分老化后测得复合耐高温压电陶瓷样品综合电性能为：d
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=206pc/n，tm=392℃，
ɛm=4179，pm=18.2μc/cm2，ec=27.5kv/cm。
实施例
19.将bi2o3、sro、gao、mgo、tio2和pbo按通式0.58bi(mg
0.5
ti
0.5
)
0.88
（sr
0.9
ga
0.1
)
0.12o3-0.42pbtio3摩尔比称量，倒入振磨机中振磨6h，得到混合均匀的粉体；按球磨：原料：酒精=2:1:2的比例放入尼龙罐中，采用转速为270r/min的行星式球磨机将所得配料研磨均匀，初次球磨时间为12h。将混合好的粉体放入坩埚中预烧，预烧温度在900℃，保温2.5h。同样按磨球：原料：酒精=2:1:2的比例放入球磨罐中，球磨时间为24h，转速为270r/min。将预烧的
粉料加入浓度为5wt%的粘结剂，然后在研钵内均匀混合，过180目筛网，得到大小均匀的颗粒，使用特定大小磨具压制成型，排胶，并在1450
°
c温度下保温3.5 h烧结得到陶瓷片；将陶瓷样品清洗涂覆银浆放入烧银炉中烧至700℃保温15min。最后极化处理，极化条件为：极化电场强度5kv/mm，极化温度100℃，极化时间为15min，获得耐高温压电陶瓷片。放置24h充分老化后测得复合耐高温压电陶瓷样品综合电性能为：d
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=218pc/n，tm=401℃，
ɛm=4197，pm=19.1μc/cm2，ec=21.3kv/cm。
20.对比例1将bi2o3、mgo、tio2和pbo按通式0.64bi(mg
0.5
ti
0.5
)o
3-0.36pbtio3摩尔比称量，倒入振磨机中振磨6h，得到混合均匀的粉体；按球磨：原料：酒精=2:1:2的比例放入尼龙罐中，采用转速为270r/min的行星式球磨机将所得配料研磨均匀，初次球磨时间为12h。将混合好的粉体放入坩埚中预烧，预烧温度在900℃，保温2.5h。同样按磨球：原料：酒精=2:1:2的比例放入球磨罐中，球磨时间为24h，转速为270r/min。将预烧的粉料加入浓度为5wt%的粘结剂，然后在研钵内均匀混合，过180目筛网，得到大小均匀的颗粒，使用特定大小磨具压制成型，排胶，并在1450
°
c温度下保温3.5 h烧结得到陶瓷片；将陶瓷样品清洗涂覆银浆放入烧银炉中烧至700℃保温15min。最后极化处理，极化条件为：极化电场强度5kv/mm，极化温度100℃，极化时间为15min，获得耐高温压电陶瓷片。放置24h充分老化后测得复合耐高温压电陶瓷样品综合电性能为：d
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=152pc/n，tm=398℃，
ɛm=5145，pm=16.2μc/cm2，ec=31.3kv/cm。
21.对比例2将bi2o3、mgo、tio2和pbo按通式0.62bi(mg
0.5
ti
0.5
)o
3-0.38pbtio3摩尔比称量，倒入振磨机中振磨6h，得到混合均匀的粉体；按球磨：原料：酒精=2:1:2的比例放入尼龙罐中，采用转速为270r/min的行星式球磨机将所得配料研磨均匀，初次球磨时间为12h。将混合好的粉体放入坩埚中预烧，预烧温度在920℃，保温2h。同样按磨球：原料：酒精=2:1:2的比例放入球磨罐中，球磨时间为24h，转速为270r/min。将预烧的粉料加入浓度为4wt%的粘结剂，然后在研钵内均匀混合，过180目筛网，得到大小均匀的颗粒，使用特定大小磨具压制成型，排胶，并在1550
°
c温度下保温3 h烧结得到陶瓷片；将陶瓷样品清洗涂覆银浆放入烧银炉中烧至720℃保温15min。最后极化处理，极化条件为：极化电场强度5.5kv/mm，极化温度90℃，极化时间为18min，获得耐高温压电陶瓷片。放置24h充分老化后测得复合耐高温压电陶瓷样品综合电性能为：d
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=121pc/n，tm=411℃，
ɛm=4767，pm=10.3μc/cm2，ec=25.2kv/cm。
22.对比例3将bi2o3、mgo、tio2和pbo按通式0.6bi(mg
0.5
ti
0.5
)o
3-0.4pbtio3摩尔比称量，倒入振磨机中振磨6h，得到混合均匀的粉体；按球磨：原料：酒精=2:1:2的比例放入尼龙罐中，采用转速为270r/min的行星式球磨机将所得配料研磨均匀，初次球磨时间为12h。将混合好的粉体放入坩埚中预烧，预烧温度在870℃，保温3h。同样按磨球：原料：酒精=2:1:2的比例放入球磨罐中，球磨时间为24h，转速为270r/min。将预烧的粉料加入浓度为6wt%的粘结剂，然后在研钵内均匀混合，过180目筛网，得到大小均匀的颗粒，使用特定大小磨具压制成型，排胶，并在1350
°
c温度下保温4 h烧结得到陶瓷片；将陶瓷样品清洗涂覆银浆放入烧银炉中烧至680℃保温18min。最后极化处理，极化条件为：极化电场强度4kv/mm，极化温度110℃，极化时间为15min，获得耐高温压电陶瓷片。放置24h充分老化后测得复合耐高温压电陶瓷样品综合电性能为：d
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=110pc/n，tm=423℃，
ɛm=5057，pm=11.1μc/cm2，ec=26.5kv/cm。
23.对比例4将bi2o3、mgo、tio2和pbo按通式0.58bi(mg
0.5
ti
0.5
)o
3-0.42pbtio3摩尔比称量，倒入振磨机中振磨6h，得到混合均匀的粉体；按球磨：原料：酒精=2:1:2的比例放入尼龙罐中，采用转速为270r/min的行星式球磨机将所得配料研磨均匀，初次球磨时间为12h。将混合好的粉体放入坩埚中预烧，预烧温度在900℃，保温2.5h。同样按磨球：原料：酒精=2:1:2的比例放入球磨罐中，球磨时间为24h，转速为270r/min。将预烧的粉料加入浓度为5wt%的粘结剂，然后在研钵内均匀混合，过180目筛网，得到大小均匀的颗粒，使用特定大小磨具压制成型，排胶，并在1450
°
c温度下保温3.5 h烧结得到陶瓷片；将陶瓷样品清洗涂覆银浆放入烧银炉中烧至700℃保温15min。最后极化处理，极化条件为：极化电场强度5kv/mm，极化温度100℃，极化时间为15min，获得耐高温压电陶瓷片。放置24h充分老化后测得复合耐高温压电陶瓷样品综合电性能为：d
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=106pc/n，tm=427℃，
ɛm=5111，pm=12.3μc/cm2，ec=30.6kv/cm。表1（（1-x）bi(mg
0.5
ti
0.5
)
0.88
（sr
0.9
ga
0.1
)
0.12o3-xpbtio3(x=0.36~0.42)陶瓷的介电性能、压电性能和铁电性能参数）pt（x/mol）x=0.36x=0.38x=0.40x=0.42d
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（pc/n）196201206218tm（℃，100khz）385384392401
ɛm（100khz）3151354841794197pm（μc/cm2，70kv/cm）13.414.118.219.1ec（kv/cm，70kv/cm）14.216.827.521.3表2（（1-x）bi(mg
0.5
ti
0.5
)o
3-xpbtio3(x=0.36~0.42)陶瓷的介电性能、压电性能和铁电性能参数）pt（x/mol）x=0.36x=0.38x=0.40x=0.42d
33
（pc/n）152121110106tm（℃，100khz）398411423427
ɛm（100khz）5145476750575111pm（μc/cm2，70kv/cm）16.210.311.112.3ec（kv/cm，70kv/cm）31.325.226.530.6通过实施例和对比例的对照，可知在（1-x）bi(mg
0.5
ti
0.5
)o
3-xpbtio3的基础上掺杂sro、gao不同氧化物，形成新型的铋基钙钛矿陶瓷材料，能够显著地提高压电陶瓷的压电性能。