一种高温压电陶瓷异质结材料及其制备方法

技术领域

本发明属于压电陶瓷材料技术领域，具体涉及一种高温压电陶瓷异质结材料及其制备方法。

背景技术

高温压电材料被广泛应用于航空航天、地质勘探、石油化工、汽车发动机等许多要求工作于特殊环境下的高新技术领域，如卫星上的微位移驱动器、汽车电喷、地质勘探过程中的振动传感器、加速度传感器等都必须使用高温压电材料。近年来，汽车制造、能源勘探和航空航天等领域的迅猛发展，对压电材料的应用环境提出了严苛的条件，如汽车内燃机的电喷装置，要求压电材料在200℃甚至300℃以上的高温环境下稳定工作；石油勘探过程中，深井探测油压等参数压力传感器也对压电材料提出了新的挑战；航空航天领域的发动机振动情况检测更是要求压电材料在更高的温度下工作，苛刻环境下工作的压电材料及其器件应用研究得到了前所未有的关注和重视。

压电陶瓷因其优异的压电性能，丰富的组分可调性且制备工艺简单，成本低等优点一直占据着压电材料的大部分市场份额。高温压电陶瓷材料包括铌酸盐基压电陶瓷、铋层状结构压电陶瓷、钨青铜结构压电陶瓷以及钛酸铅基压电陶瓷等几大材料体系。目前应用最广泛的压电材料主要是钛酸铅基压电陶瓷材料PZT，其具有优异的压电性能。但是，这类压电陶瓷材料的居里温度一般在390℃以下，由于压电陶瓷材料退极化现象的存在，压电陶瓷材料在居里温度以上无法正常工作。随着航空航天、地质勘探等工业的飞速发展，需要的压电陶瓷材料往往要求工作在400℃以上，因此有必要寻求一种居里温度高，并且压电性能优异的压电陶瓷材料。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高温压电陶瓷异质结材料及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明实施例提供了一种高温压电陶瓷异质结材料的制备方法，包括：

制备A层为铋层状结构的陶瓷材料；

制备B层为钪酸铋-钛酸铅结构的陶瓷材料；

按照AB、ABA、BAB中至少一种叠层方式，将A层和B层以特定比例混合压制成型；

采用特定排塑烧结工艺进行烧制形成高温压电陶瓷异质结材料。

在本发明的一个实施例中，制备A层为铋层状结构的陶瓷材料，包括：

按照材料组成式中Na、Bi、Ti和Cr的化学计量比进行配料，原料采用Na

将上述配料逐步经过球磨混合、预烧、二次球磨、烘干、研磨工艺制备混合粉料；

将上述制备得到的混合粉料加入粘合剂PVA后造粒形成A层。

在本发明的一个实施例中，制备B层为钪酸铋-钛酸铅结构的陶瓷材料，包括

按照化学组成为(1-x)BiScO

将上述称取的原料逐步经过球磨混合、预烧、二次球磨、烘干、研磨工艺制备混合粉料；

将上述制备得到的混合粉料加入粘合剂PVA后造粒形成B层。

在本发明的一个实施例中，将A层和B层以特定比例混合压制成型，包括：

将A层和B层以1～3：1～3的摩尔比比例混合压制成型。

在本发明的一个实施例中，在采用特定排塑烧结工艺进行烧制形成高温压电陶瓷异质结材料之前，还包括：

分别在600℃～600℃下排出A层和B层内的粘合剂PVA。

在本发明的一个实施例中，采用特定排塑烧结工艺进行烧制形成高温压电陶瓷异质结材料，包括：

以排塑温度为600℃～600℃、烧结温度为1050℃～1150℃、烧结保温时间为2h～4h的工艺条件烧制形成高温压电陶瓷异质结材料。

在本发明的一个实施例中，还包括：

在高温压电陶瓷异质结材料的上下表面生长电极，并测试高温压电陶瓷异质结材料的相关性能。

在本发明的一个实施例中，在高温压电陶瓷异质结材料的上下表面生长电极，并测试高温压电陶瓷异质结材料的相关性能，包括：

在高温压电陶瓷异质结材料的上下表面以烧银温度为500℃～600℃、烧银保温时间为1h～2h的工艺条件下生长Ag电极；

在硅油温度为120℃～200℃的硅油中，加以极化电压为6kV/mm～8kV/mm、极化时间为20min～40min的极化条件下进行直流高压极化，并对极化后的高温压电陶瓷异质结材料的相关性能。

在本发明的一个实施例中，在高温压电陶瓷异质结材料的上下表面生长电极之前，包括：

将高温压电陶瓷异质结材料的上下表面进行抛光处理。

第二方面，本发明实施例提供了一种高温压电陶瓷异质结材料，根据上述任一所述的高温压电陶瓷异质结材料的制备方法制备得到。

本发明的有益效果：

本发明提出的高温压电陶瓷异质结材料的制备方法，将铋层状结构的陶瓷材料与钪酸铋-钛酸铅结构的陶瓷材料组成异质结，减少了传统单一的钪酸铋-钛酸铅结构中Sc的用量，降低了制造成本，且制备得到的高温压电陶瓷异质结材料保持居里温度T

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种高温压电陶瓷异质结材料的制备方法流程示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种高温压电陶瓷异质结材料的制备方法流程示意图；

图3是本发明实施例提供的高温压电陶瓷异质结材料与其他两种传统压电陶瓷材料的性能比较示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

现有压电陶瓷材料包括铌酸盐基压电陶瓷、铋层状结构压电陶瓷、钨青铜结构压电陶瓷以及钛酸铅基压电陶瓷等几大材料体系，每一体系的材料有其自身的优势，比如有些材料压电性能高，有些材料居里温度高，同时具备压电性能高、居里温度高的材料很少。现有高温压电陶瓷材料大多以单一体系研究为主，各自体系存在相应缺点，因此，如何通过现有具备压电性能高或居里温度高的材料获取同时具备压电性能高、居里温度高的材料成为现在研究的热点。

经发明人研究发现，铋层状结构的压电陶瓷材料(以下简称BLSF)化学通式为(Bi

经发明人研究还发现，钛酸铅(PbTiO

基于对上述BLSF、BS-PT材料的研究分析，单一的BLSF、单一的BS-PT材料分别有其适用场景，而对于超出其适用场景的其他场景，单一的BLSF、BS-PT材料的优势不再突出，反倒成为制约其在高温压电陶瓷材料其他领域发展的重要因素。如钛酸铋钠(Na

S10、制备A层为铋层状结构的陶瓷材料。

本发明实施例提供了一种可选方案，制备A层为铋层状结构的陶瓷材料，包括：按照材料组成式中Na、Bi、Ti和Cr的化学计量比进行配料，原料采用Na

将上述配料逐步经过球磨混合、预烧、二次球磨、烘干、研磨等工艺制备混合粉料；其中，两次放入球磨罐的球磨时间均为18h，球磨介质均为无水乙醇，预烧温度均为600℃～900℃，预烧保温时间均为2h～4h。

将上述制备得到的混合粉料加入粘合剂PVA(聚乙烯醇)后造粒形成A层，即形成铋层状结构的陶瓷材料BLSF。

S20、制备B层为钪酸铋-钛酸铅结构的陶瓷材料。

本发明实施例提供了一种可选方案，制备B层为钪酸铋-钛酸铅结构的陶瓷材料，包括：按照化学组成为(1-x)BiScO

将上述称取的原料逐步经过球磨混合、预烧、二次球磨、烘干、研磨等工艺制备混合粉料；其中，两次放入球磨罐的球磨时间均为18h，球磨介质均为无水乙醇，预烧温度均为600℃～900℃，预烧保温时间均为2h～4h。

将上述制备得到的混合粉料加入粘合剂PVA后造粒形成B层，即钪酸铋-钛酸铅结构的陶瓷材料BS-PT。

S30、按照AB、ABA、BAB中至少一种叠层方式，将A层和B层以特定比例混合压制成型。

本发明实施例利用A层和B层两种材料的叠层方式包括AB、ABA、BAB，在相邻A层与B层之间形成异质结，在A层和B层形成异质结过程中，A层与B层需要满足特定摩尔比比例混合压制成型才能同时具有压电性能高或居里温度高的优势，经发明人研究：将A层和B层以1～3：1～3的任意一摩尔比比例混合，并用压片机施加300MPa压强压制成型，除此之外的比例混合压制会出现压电性能高，或居里温度高的一方优势。

比如若以AB为层叠方式，则可以将A层和B层以1:1、1:2、1:3、2:1、2:2、2:3、3:1、3:2、3:3中任意一摩尔比比例混合压制；其他ABA、BAB层叠方式，类似在此不再详细说明。

S40、采用特定排塑烧结工艺进行烧制形成高温压电陶瓷异质结材料。

本发明实施例在采用特定排塑烧结工艺进行烧制形成高温压电陶瓷异质结材料之前，还包括：分别在600℃～600℃下排出A层和B层内的粘合剂PVA。

接着，本发明实施例提供了一种可选方案，采用特定排塑烧结工艺进行烧制形成高温压电陶瓷异质结材料，包括：以排塑温度为600℃～600℃、烧结温度为1050℃～1150℃、烧结保温时间为2h～4h的工艺条件烧制形成高温压电陶瓷异质结材料。在实验过程中发现，形成A层与B层之间异质结的排塑烧结工艺条件选择不合适的时候，A层与B层之间无法形成异质结结构，经多次实验，采用排塑温度为600℃～600℃、烧结温度为1050℃～1150℃、烧结保温时间为2h～4h的工艺条件才可以烧制形成异质结结构的高温压电陶瓷材料。

进一步地，请参见图2，本发明实施例提出的高温压电陶瓷异质结材料的制备方法还包括：

S50、在高温压电陶瓷异质结材料的上下表面生长电极，并测试高温压电陶瓷异质结材料的相关性能。

本发明实施例在高温压电陶瓷异质结材料的上下表面生长电极之前，包括：将高温压电陶瓷异质结材料的上下表面进行抛光处理，抛光处理可以采用去预设厚度，比如0.4mm厚的高温压电陶瓷异质结材料的上下表面，以去除表面缺陷影响。

接着，本发明实施例提供了一种可选方案，在抛光处理后的高温压电陶瓷异质结材料的上下表面生长电极，并测试高温压电陶瓷异质结材料的相关性能，包括：

在高温压电陶瓷异质结材料的上下表面以烧银温度为500℃～600℃、烧银保温时间为1h～2h的工艺条件下生长Ag电极；

烧银处理后，在硅油温度为120℃～200℃的硅油中，加以极化电压为6kV/mm～8kV/mm、极化时间为20min～40min的极化条件下进行直流高压极化，并对极化后的高温压电陶瓷异质结材料的相关性能，相关性能包括居里温度、压电性能、介电损耗等。

经测试，通过本发明实施例制备的高温压电陶瓷异质结材料，居里温度T

为了验证本发明实施例提供的高温压电陶瓷异质结材料的制备方法的有效性，进行以下实验进行验证。

本发明实施例实验过程包括：分别制备铋层状结构的陶瓷材料BLSF和钪酸铋-钛酸铅结构的陶瓷材料BS-PT；分别添加粘合剂聚乙烯醇PVA造粒；将制得的铋层状结构的陶瓷材料BLSF和钪酸铋-钛酸铅结构的陶瓷材料BS-PT组成异质结，组成比例这里包括1:1、1:2、1:3；将得到的异质结放入模具中，用压片机施加300MPa压强压制；在600℃～600℃下排出异质结材料内的粘合剂聚乙烯醇PVA；在排塑温度650℃左右、1100℃左右烧制3小时形成10mm直径的高温压电陶瓷异质结材料；将烧好的高温压电陶瓷异质结材料表面覆盖银电极，在6kV/mm电压下极化20min，老化24h后测试性能。

本发明实施例对传统单一的铋层状结构的陶瓷材料BLSF、传统单一的钪酸铋-钛酸铅结构的陶瓷材料BS-PT，以及以上述实验过程制备得到的高温压电陶瓷异质结材料进行了对比，对比结果如图3所示，单一的BLSF、BS-PT，只是具有较高的压电性能d

综上所述，本发明实施例提供了一种高温压电陶瓷异质结材料的制备方法，将铋层状结构的陶瓷材料与钪酸铋-钛酸铅结构的陶瓷材料组成异质结，减少了传统单一的钪酸铋-钛酸铅结构中Sc的用量，降低了制造成本，且制备得到的高温压电陶瓷异质结材料保持居里温度T

第二方面，本发明实施例提供了一种高温压电陶瓷异质结材料，根据第一方面所述的任一高温压电陶瓷异质结材料的制备方法的制备得到。对于第二方面的材料实施例而言，由于其基本相近于第一方面制备方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见第一方面制备方法实施例的部分说明即可。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看说明书及其附图，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在说明书中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。相互不同的实施例中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。