La₂Ti₂O₇或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應用及其制備的傳感器的制造方法

La₂Ti₂O₇或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應用及其制備的傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了La2Ti2O7或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應用及其制備的傳感器，屬于高溫壓電傳感器領域，目的在于解決現有的高溫壓電傳感器大多以鋯鈦酸鉛為基材，其中的鉛會導致環境污染，且使用溫度在300℃以內，而以鈦酸鉍鈉體系鐵電材料為基材的高溫壓電傳感器的使用溫度也僅僅為300℃左右，具有一定限制的問題。本發明首次將La2Ti2O7鐵電陶瓷以及其固溶體材料這一類高穩定性鐵電材料用作高溫壓電傳感器的基材，且本發明制備的傳感器的使用范圍為0℃到350℃，極大的拓展了高溫壓電傳感器的使用溫度，有效增加了其應用范圍。同時，本發明的La2Ti2O7及其固溶體材料中，不含有鉛，因而具有對環境友好的特點，能有效避免對環境的污染。
【專利說明】
La2T i 2〇7或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應用及其制 備的傳感器
技術領域
[0001] 本發明涉及高溫壓電傳感器領域，具體為La2Ti207或其固溶體材料在高溫壓電傳 感器中的應用及其制備的傳感器。
【背景技術】
[0002] 壓電傳感器作為傳感器領域的最重要的分支之一，其具有特有的壓電效應。壓電 效應包括正壓電效應、反壓電效應;其中，正壓電效應是指材料在壓力作用下，表面產生電 荷的現象;反壓電效應是指對材料施加外電壓，材料形狀發生變化的現象。圖1中給出了正 壓電效應的工作原理示意圖，圖2中給出了反壓電效應的工作原理示意圖。壓電傳感器能將 機械信號和電信號相互轉換，因此，其在監測和控制領域有著非常廣泛的應用。
[0003] 在壓力傳感器中，由于高溫壓力傳感器具備優良的高溫工作能力，因而一直受到 高度重視，是傳感器研究的重要領域之一，也是各國政府努力掌握的高科技技術之一。在石 油、化工、采礦、風力發電、核電站、冶金、汽車、航空航天、工業過程控制和兵器工業等領域， 高溫壓力傳感器都有著廣闊的應用前景，例如：高溫壓力傳感器可用于高溫油井內的壓力 測量，各種發動機腔體內的壓力測量，宇宙飛船和航天飛行器的姿態控制，高速飛行器或遠 程超高速導彈的飛行控制，噴氣發動機、火箭、導彈、衛星等耐熱腔體和表面各部分的壓力 測量。
[0004] 目前，工業上使用的高溫壓電傳感器大多采用鋯鈦酸鉛(PZT)為基材。而PZT中的 鉛會導致嚴重的環境污染，且鋯鈦酸鉛鐵電材料的使用溫度大都在300°C以內。鈦酸鉍鈉體 系的鐵電材料也可用作高溫傳感材料，但其最高使用溫度也僅僅為300°C左右。
[0005] 為此，迫切需要一種新的材料，以滿足高溫壓電傳感器的應用需求。

【發明內容】

[0006] 本發明的發明目的在于:針對現有的高溫壓電傳感器大多以鋯鈦酸鉛為基材，其 中的鉛會導致環境污染，且使用溫度在300°C以內，而以鈦酸鉍鈉體系鐵電材料為基材的高 溫壓電傳感器的使用溫度也僅僅為300°C左右，具有一定限制的問題，提供一種La 2Ti207或 其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應用及其制備的傳感器。本發明首次將La 2Ti207鐵電 陶瓷以及其固溶體材料(La2- XAXT i 2〇7，A = Ce，Pr，Nd)這一類高穩定性鐵電材料用作高溫壓 電傳感器的基材，且本發明制備的傳感器的使用范圍為〇°C到350°C，極大的拓展了高溫壓 電傳感器的使用溫度，有效增加了其應用范圍。同時，本發明的La 2Ti207及其固溶體材料中， 不含有鉛，因而具有對環境友好的特點，能有效避免對環境的污染。
[0007] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0008] La2Ti2〇7或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應用，所述La2Ti 2〇7固溶體材料為 La2-xAxTi2〇7,所述A為Ce、Pr、Nd中的一種或多種，所述x的范圍為0~0.35。
[0009] 所述x的范圍為0.001~0.35。
[0010] 所述X的范圍為0.05~0.35。
[0011] 所述x的范圍為0.10~0.33。
[0012] 采用La2Ti207或其固溶體材料制備的傳感器，包括基體、設置在基體兩側的電極， 所述基體為La 2Ti2〇7或La2Ti2〇7固溶體，所述La2Ti 2〇7固溶體材料為La2-xAxTi2〇7，A為Ce、Pr、 Nd中的一種或多種，所述x的范圍為0~0.35。
[0013] 所述x的范圍為0.001~0.35。
[0014] 所述電極通過燒結方式與基體連接為一體。
[0015] 所述傳感器的使用溫度范圍為0°C到350°C。
[0016]該傳感器采用包括如下步驟的方法制備而成：
[0017] ⑴制備基體
[0018] 將La2Ti2〇7或其固溶體材料作為基體，所述La2Ti2〇7固溶體材料為La 2-xAxTi2〇7，A為 Ce、Pr、Nd中的一種或多種，所述x的范圍為0~0.35;
[0019] ⑵電極燒結
[0020] 在步驟（1)的基體兩面涂銀電極，然后燒結，使銀電極與基體緊密連接，燒結完成 后，降溫后取出樣品，即可。
[0021] 所述步驟(1)中，采用等離子體電火花燒結發制備晶粒織構化的La2Ti207鐵電陶瓷 或者其固溶體陶瓷，所述La 2Ti2〇7固溶體陶瓷為La2-xAxTi 2〇7,將La2Ti2〇7或其固溶體材料作 為基體，所述基體的相對密度在98 %以上，所述晶粒定向程度在80 %以上。
[0022] 所述步驟(2)中，將步驟（1)的基體沿織構垂直方向切片，樣品的厚度范圍為0.1-0.3mm，然后在基體的兩面涂銀電極，再在500-600°C下燒結0.5~5h，至銀電極與基體緊密 連接，降溫到室溫后取出樣品，即可。
[0023] 針對前述問題，本發明提供La2Ti207或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應用 及其制備的傳感器。
【申請人】通過研究發現，La 2Ti207這種具有類鈣鈦礦層狀結構鐵電材料具 有很高的居里相變溫度(T。~1460°C )，其材料結構有著很好的溫度穩定性。在研究過程中，
【申請人】驚奇地發現了 La2Ti2〇7及其固溶體材料的高溫壓電性能。為此，
【申請人】得到了本發明 的技術方案。
[0024] 為了驗證本發明方案的可行性，
【申請人】設計了如下的實驗步驟。
[0025] (1)制備基體
[0026] 利用等離子體電火花燒結技術或其他方法制備晶粒織構化的La2Ti207鐵電陶瓷或 者其固溶體陶瓷(其分子式為La 2-xAxTi2〇7，A為&、？^制;0^^彡0.35)。陶瓷的相對密度大 于98%，晶粒定向程度利用1^^861'；[1^定向因子計算在80%以上。將制備的]^121'12〇7鐵電陶 瓷或者其固溶體陶瓷作為基體。
[0027] (2)電極燒實
[0028] 把步驟（1)燒結好的陶瓷沿織構垂直方向切片，樣品厚度在0.1 -0.3mm范圍內，樣 品尺寸為任意方便涂電極尺寸，樣品兩面涂銀電極并經高溫(燒結溫度500-600°C，燒結時 間lh)燒實，降至室溫，取出樣品。
[0029] (3)陶瓷的極化儲能
[0030]在150-200°C條件下，把步驟(2)制備的樣品在外加直流高電場下極化lh，電場強 度為50-80kV/mm，使得鐵電陶瓷電疇翻轉極化(如圖3所示）。
[0031] (4)高溫壓電性能測試
[0032] 把極化好的陶瓷放入高溫箱內，測試其高溫壓電性能:把極化好的陶瓷片放入高 溫壓電常數測試儀器對其壓電信號進行測試(如圖4所示）。
[0033] 測試結果表明：La2Ti2〇7鐵電陶瓷以及其固溶體材料(La2- xAxTi2〇7，A = Ce，Pr，Nd;0 <x<0.35)的壓電常數能在350°C以下穩定存在，結果證明其能夠作為壓電傳感器基材使 用。
[0034]綜上所述，本發明首先利用La2Ti2〇7鐵電陶瓷以及其固溶體(La2- xAxTi2〇7，A = Ce， Pr，Nd)這一類高穩定性鐵電材料作為高溫壓電傳感器基材，其在高溫下，具有良好的壓電 性能，實現了機-電信號轉換，使用范圍為〇°C~350°C。本發明能夠用作高溫器件（>300°C) 的傳感器基材，極大拓展高溫壓電傳感器的使用溫度，有效增加其應用范圍，具有廣闊的應 用前景。同時，本發明的La 2Ti2〇7及其固溶體材料中，不含有鉛，因而具有對環境友好的特 點，能有效避免對環境的污染。采用本發明制備的高溫壓電傳感器可廣泛應用于石油、化 工、采礦、風力發電、核電站、冶金、汽車、航空航天、工業過程控制和兵器工業等領域，具有 廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0035]本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：
[0036]圖1為正壓電效應工作原理示意圖。
[0037]圖2為反壓電效應工作原理示意圖 [0038]圖3為陶瓷極化示意圖。
[0039] 圖3中：1為陶瓷樣品，2為銀電極，3為直流高壓電源。
[0040] 圖4為樣品測試示意圖。
[0041] 圖4中：1為加熱爐，2為測試頂針與導線，3為測試樣品，4為壓電常數測試儀。
【具體實施方式】
[0042]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥 的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0043] 本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的 替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子 而已。
[0044] 實施例lLa2Ti2〇7織構鐵電陶瓷的高溫壓電應用
[0045] 制備過程如下。
[0046] (1)利用等離子體電火花燒結技術制備晶粒織構化的La2Ti207鐵電陶瓷。該陶瓷的 相對密度為99%，晶粒定向程度利用Lotgering定向因子計算為83%。
[0047] (2)把步驟（1)燒結好的陶瓷沿織構垂直方向切片，切片厚度為0.2mm，尺寸為5 X 5_。在切片兩面涂銀電極，電極尺寸為4.8 X4.8mm。再在高溫600°C退火lh，降溫到室溫，取 出樣品。
[0048] (3)將步驟(2)制備的樣品在硅油中加熱到200°C，保溫15min。并在樣品的兩面加 55kV/mm電場，保持此條件1 h，使得鐵電陶瓷電疇翻轉極化。
[0049] (4)測試步驟(3)極化后的La2Ti207織構鐵電陶瓷高溫壓電性能，測定結果如表1所 示。在350°C以內，其壓電常數為2.4pC/N，并且一直穩定存在。
[0050] 表1實施例1的測定結果
[0052] 實施例2La2-xCexTi2〇7(x<0.2)織構鐵電陶瓷的高溫壓電應用 [0053] 制備過程如下。
[0054] (1)利用等離子體電火花燒結技術制備晶粒織構化的La2-xCe xTi2〇7鐵電陶瓷。陶瓷 的相對密度為98%，晶粒定向程度利用Lotgering定向因子計算為81%。
[0055] (2)把步驟(1)燒結好的陶瓷沿織構垂直方向切片，切片厚度為0.15_，尺寸為5 X 5_。在切片兩面涂銀電極，電極尺寸為4.8 X4.8mm。再在高溫600°C下退火lh，降溫到室溫， 取出樣品。
[0056] (3)將步驟(2)制備的樣品在硅油中加熱到150°C，保溫15min。并在樣品的兩面加 60kV/mm電場，保持此條件lh。
[0057] (4)測試步驟(3)極化后的La2-xCexTi 207織構鐵電陶瓷高溫壓電性能，測定結果如 表2所示。在350 °C以內，其壓電常數為3.1 -3.3pC/N，并且一直穩定存在。
[0058]表2實施例2的測定結果
[0060] 實施例3La2-xPrxTi2〇?(x<0.35)織構鐵電陶瓷的高溫壓電應用 [0061 ] 制備過程如下。
[0062] (1)利用等離子體電火花燒結技術制備晶粒織構化的La2-xPr xTi207鐵電陶瓷。陶瓷 的相對密度為99%，晶粒定向程度利用Lotgering定向因子計算為80%。
[0063] (2)把步驟（1)燒結好的陶瓷沿織構垂直方向切片，切片厚度為0.3mm，尺寸為4.5 X 4.5_。在切片兩面涂銀電極，電極尺寸為4.4X4.4mm。再在高溫600 °C下退火lh，降溫到 室溫，取出樣品。
[0064] (3)將步驟(2)制備的樣品在硅油中加熱到200°C，保溫15min。并在樣品的兩面加 58kV/mm電場，保持此條件lh。
[0065] (4)測試步驟(3)極化后的La2-xPrxTi 207織構鐵電陶瓷高溫壓電性能，測定結果如 表3所示。在350°C以內，其壓電常數為2.9-3.4pC/N，并且一直穩定存在。
[0066] 表3實施例3的測定結果
[0067]
[0068] 實施例4La2-xNdxTi2〇7(x<0.3)織構鐵電陶瓷的高溫壓電應用 [0069] 制備過程如下。
[0070] (1)利用等離子體電火花燒結技術制備晶粒織構化的La2-xNdxTi 207鐵電陶瓷。陶瓷 的相對密度為98%，晶粒定向程度利用Lotgering定向因子計算為85%。
[0071 ] (2)把步驟(1)燒結好的陶瓷沿織構垂直方向切片，切片厚度為0.25_，尺寸為4 X 4mm。在切片樣品兩面涂銀電極，電極尺寸為3.9 X3.9_。再在高溫600°C下退火lh，降溫到 室溫，取出樣品。
[0072] (3)將步驟(2)制備的樣品在硅油中加熱到200°C，保溫15min。并在樣品的兩面加 61kV/mm電場，保持此條件lh。
[0073] (4)測試步驟(3)極化后的La2-xNdxTi20 7織構鐵電陶瓷高溫壓電性能，測定結果如 表4所示。在350 °C以內，其壓電常數為2.6-2.8pC/N，并且一直穩定存在。
[0074] 表4實施例4的測定結果
[0077]本發明并不局限于前述的【具體實施方式】。本發明擴展到任何在本說明書中披露的 新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
【主權項】
1. La2Ti2O7或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應用，其特征在于，所述La 2Ti2O7固 溶體材料為La2-xA xTi 2〇7，所述A為Ce、Pr、Nd中的一種或多種，所述X的范圍為0~0.35。2. 根據權利要求1所述La2Ti2O7或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應用，其特征在 于，所述X的范圍為0.001~0.35。3. 根據權利要求2所述La2Ti2O7或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應用，其特征在 于，所述X的范圍為0.05~0.35。4. 根據權利要求3所述La2Ti2O7或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應用，其特征在 于，所述X的范圍為〇. ΠΜ).33。5. 采用La2Ti2O7或其固溶體材料制備的傳感器，其特征在于，包括基體、設置在基體兩 側的電極，所述基體為La 2Ti2O7或La2Ti2O 7固溶體，所述La2Ti2O7固溶體材料為La2- XAXT i2〇7，A 為Ce、Pr、Nd中的一種或多種，所述x的范圍為0~0.35。6. 根據權利要求5所述傳感器，其特征在于，所述電極通過燒結方式與基體連接為一 體。7. 根據權利要求5~6任一項所述傳感器，其特征在于，所述傳感器的使用溫度范圍為0 。(:到350°C。8. 根據權利要求5~7任一項所述傳感器，其特征在于，該傳感器采用包括如下步驟的方 法制備而成： (1) 制備基體 將La2Ti2O7或其固溶體材料作為基體，所述La2Ti 2O7固溶體材料為La2-xAxTi 2〇7，A為Ce、 Pr、Nd中的一種或多種，所述X的范圍為0~0.35; (2) 電極燒結 在步驟(1)的基體兩面涂銀電極，然后燒結，使銀電極與基體緊密連接，燒結完成后，降 溫后取出樣品，即可。9. 根據權利要求5~8任一項所述傳感器，其特征在于，所述步驟（1)中，采用等離子體電 火花燒結發制備晶粒織構化的La2Ti 2O7鐵電陶瓷或者其固溶體陶瓷，所述La2Ti2O 7固溶體陶 瓷為La2-xAxTi2〇7，將La 2Ti2O7或其固溶體材料作為基體，所述基體的相對密度在98%以上，所 述晶粒定向程度在80%以上。10. 根據權利要求8所述傳感器，其特征在于，所述步驟(2)中，將步驟（1)的基體沿織構 垂直方向切片，樣品的厚度范圍為0.1-0.3 mm，然后在基體的兩面涂銀電極，再在500-600 °C下燒結0.5~5h，至銀電極與基體緊密連接，降溫到室溫后取出樣品，即可。
【文檔編號】C04B35/462GK105957958SQ201610286769
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月4日
【發明人】高志鵬, 楊佳, 劉藝, 韓旭, 谷偉, 謝慶海, 王海晏
【申請人】中國工程物理研究院流體物理研究所