一種高溫無鉛壓電陶瓷復合物及其應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于陶瓷材料領域，具體涉及一種高溫無鉛壓電陶瓷復合物及其制備方法 和應用。
【背景技術】
[0002] 高溫壓電陶瓷材料被廣泛應用于航空、航天、核能、發電等眾多重要的科研和工 業部門，如油井下使用的聲波測井換能器工作溫度達到200-300°C;在汽車中工作的動態 燃料注射噴嘴工作溫度高達300°C;用于航空器引擎的振動控制（>500°C);焊接管道的 無損探傷（>370°C);高溫渦街流量計（>170°C)等領域（文海，王曉慧，趙巍，王浩，李龍 土，桂治輪，高溫壓電陶瓷研宄進展，硅酸鹽學報，2006, 34 (11) : 1367-1373 ;侯育冬，崔磊， 王賽，王超，朱滿康，嚴輝，BiA103基高溫無鉛壓電陶瓷的研宄進展，無機材料學報，2010， 25[3]:225-229；XiaoliTan,WeiHu，Highcurietemperatureternarypiezoelectric ceramics，2012. 6. 14，UnitedStatesPatent，US2012/0145943A1 ;劉軍凱，高居里溫度 壓電材料研宄進展，壓電與聲光，2012,34[1]: 100-105)。但是發展至今，能夠長期使用在 350°C以上高溫的壓電陶瓷仍然較少，并且性能隨溫度升高惡化而導致失效，因此探索新型 高溫壓電材料在工業上有著重要的應用價值。
[0003] 文獻報道了許多居里溫度超過500°C的鉍層狀結構的壓電陶瓷（P.Ferrer，M. Alguer'o,J.E.Iglesias,A.Castro,Processinganddielectricpropertiesof Bi4Srn_3Tin0 3n+3(n= 3, 4and5)ceramicsobtainedfrommechanochemicallyactivated precursors[J].JournaloftheEuropeanCeramicSociety, 2007,27:3641 - 3645.)，是 一類最好的高溫壓電材料。但是這類壓電陶瓷在較高溫度下，其壓電活性退化較大，難以在 300°C以上應用。
[0004]Sr2Bi4Ti5018 (SBT)和Ca2Bi4Ti5018 (CBT)是典型的鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷 材料。SBT具有較好的壓電活性，壓電常數d33達到26pC/N，但是其居里溫度相對較 低，僅為267 °C。CBT具有的居里溫度達到775 °C，但是其壓電活性較低，壓電常數d33 只有8. 83pC/N，而且該材料的矯頑場較高，難以極化（C.Moure,V.Gil,J.Tartaj，P. Dur'an,Crystallinestructure,dielectricandpiezoelectricpropertiesof bismuth-layerCaxBi4Ti3+x012+3x(x= 1, 2)compounds[J].JournaloftheEuropean CeramicSociety,2005,25:2447 - 2451)。Horiuchi等研宄了 51^14115018-〇3281411 5018體 系，但通過摻雜改性后，常規制備方法的陶瓷，其壓電常數d33最大僅為26pC/N，難以在高溫 下應用（S.Horiuchi,H.Nagata,T.Takenaka,Ferroelectrics, 2005, 324:3 - 9)。國內外都 投入了大量的人力與物力開展高溫壓電陶瓷的研宄與開發，并取得了進步。但能夠實際應 用的仍然很少，因此發展新的高溫無鉛壓電陶瓷勢在必行。
【發明內容】
[0005]本發明的目的之一是為解決現有壓電陶瓷難以在高溫下長時間使用的問題，提供 一種高溫無鉛壓電陶瓷復合物及其制備方法和應用。
[0006] 本發明提供一種高溫無鉛壓電陶瓷復合物，具有以下通式： SrhCaxNao.sBiuTiAs+lot%Ce02，其中 0 彡x彡 1。
[0007] 進一步的，所述高溫無鉛壓電陶瓷復合物晶胞參數a，b滿足0.995S(b/ a)彡 1. 04。
[0008] 進一步的，所述高溫無鉛壓電陶瓷復合物350°C高溫時，仍然保持其室溫時的壓電 性能，當溫度達到450°C高溫時，仍然保持其室溫時75%的壓電活性。
[0009] 進一步的，所述高溫無鉛壓電陶瓷復合物居里溫度可在586-624°C之間調節。
[0010] 進一步的，所述高溫無鉛壓電陶瓷復合物壓電常數d33= 24至31pc/N。
[0011] SrhCaJa^BUiAs外加1 Ce02后仍然形成的鉍層狀結構的連續固溶體， 具有單一的贗四方結構。
[0012] 該無鉛壓電陶瓷復合物的制備工藝采用傳統的固相合成法，過程如下：
[0013] 1?選取碳酸鍶（SrC03)，碳酸鈣（CaC03)，碳酸鈉（Na2C03)，三氧化二鉍（Bi203)，二 氧化鈦（Ti02)，二氧化鈰（Ce02)為原材料；
[0014] 2?按照所制備SiVxCaxNaQ.sBiuTigO^+lwt%Ce02(x=0-1)材料的化學通式的化 學計量比分別稱取SrC03, Na2C03, CaC03,Bi203,Ti02,CeO^材料后，以無水乙醇為球磨介質， 球磨12h混合原料；
[0015] 3.將混好的原料取出烘干后，于750-900°C保溫2h預合成；
[0016] 4.預合成后，以去離子水為球磨介質再球磨8h后，取出烘干，加入5_8wt%PVB或 PVA粘結劑造粒得到流動性好的顆粒，在230MPa壓力下干壓成型為直徑12mm厚度為1mm的 陶瓷胚體；
[0017] 5.將坯體在500-850°C保溫lh排塑，然后在1180°C燒結保溫2h，得到致密的陶瓷 樣品；
[0018] 6.燒成后的陶瓷樣品經打磨、拋光、被敷銀電極，然后在720°C保溫20min燒銀， 在180°C硅油內極化（MS2671A耐壓測試儀，南京民威電子儀器有限公司），極化電壓為 3-10kV/mm，極化時間為 15_30min。
[0019] 前述SiVxCaxNaQ.sBiuTigO^+lwt%Ce02(x= 0-1)系壓電陶瓷材料的制備方法，所 述的"球磨"使用的球磨機可以為行星球磨機、砂磨機或工業用陶瓷粉體混料裝置均能達到 預期效果，如使用江蘇省啟東市宏宏儀器設備廠生產的KEQ型變頻全方位行星式球磨機， 南京科析實驗儀器研宄所生產的XQM-1L行星式球磨機，上海儒特機電設備有限公司生產 的RT001型臥式砂磨機，上海凱日機械制造有限公司生產的ZSH混料機等均可。
[0020] 本發明再提供一種壓電元件，包括上述高溫無鉛壓電陶瓷復合物。
[0021] 本發明的有益效果在于：本發明的高溫無鉛壓電陶瓷復合物，高溫耐受性好，能夠 長時間在高溫條件下工作，壓電活性不易退化，適用于制備高溫高頻壓電器件，例如可應用 在油井下使用的聲波測井換能器、汽車中工作的動態燃料注射噴嘴、焊接管道的無損探傷 高溫渦街流量計等高溫領域。本方法操作簡便，制備條件易達到，產率高，可靠性好，適于工 業化生產。
【附圖說明】
[0022] 圖1所示為本發明高溫無鉛壓電陶瓷復合物的XRD圖譜；
[0023] 圖2所示為本發明高溫無鉛壓電陶瓷復合物