一種高壓電電壓常數(shù)、低熱釋電系數(shù)的自然極性陶瓷材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高壓電電壓常數(shù)、低熱釋電系數(shù)的自然極性陶瓷材料，屬于功能 陶瓷應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的壓電陶瓷是經(jīng)過(guò)直流高壓極化處理過(guò)后具有壓電性的鐵電陶瓷，是一種能 夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。因?yàn)楠?dú)特的性能，壓電陶瓷在信息、激光、 導(dǎo)航、電子技術(shù)、通訊、計(jì)量檢測(cè)、精密加工和傳感技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在壓電點(diǎn)火 器、水聽(tīng)器、壓電加速度計(jì)等器件中，都需要壓電陶瓷具有較高的壓電電壓常數(shù)g 33。隨著科 學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，這些領(lǐng)域（尤其是壓電加速度計(jì)）對(duì)壓電陶瓷材料的性能和穩(wěn)定性提 出更高的要求。因此開(kāi)發(fā)新型的壓電電壓常數(shù)高、具有較好溫度穩(wěn)定性、使用溫度范圍廣、 制作工藝簡(jiǎn)單的壓電材料成為重要的研宄方向。
[0003] 近年來(lái)，我們?cè)瓌?chuàng)性地發(fā)現(xiàn)了一類基于宏觀界面效應(yīng)的非鐵電性壓電多晶材料。 這類新型非鐵電壓電多晶材料的制備方法簡(jiǎn)單、不需施加電場(chǎng)極化就具有較強(qiáng)的壓電活性 (稱為自然極性陶瓷）。此外，其壓電性的有無(wú)與材料是否具有鐵電性無(wú)關(guān)，因此在很高的 溫度仍可保持壓電效應(yīng)（理論上壓電效應(yīng)可保持到接近材料的燒結(jié)溫度），展現(xiàn)出很大的 應(yīng)用前景。然而，這類自然極性陶瓷的壓電常數(shù)的數(shù)值仍較小且不均勻，極大地制約了它們 的廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種新組分的自然極性陶瓷材料及其制備方 法，該陶瓷材料壓電應(yīng)變常數(shù)取向一致，介電常數(shù)很小，壓電電壓常數(shù)很高，介電損耗低，熱 釋電系數(shù)小，溫度穩(wěn)定性好，適用溫度范圍廣。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] 一種高壓電電壓常數(shù)、低熱釋電系數(shù)的自然極性陶瓷材料，是將MgTiOjP Bi12Ti0 2(l加粘合劑混合后于溫度820~920°C下進(jìn)行溫差燒結(jié)lOmin~3h制得，組成通式 為 xMgTi03_Bi12Ti02Q，其中 x = 0? 1 ~4。
[0007] 本發(fā)明優(yōu)選的，所述的溫差燒結(jié)為燒結(jié)時(shí)樣品底部溫度與表面溫度相差0°C~ l〇°C，優(yōu)選的，組成通式 xMgTi03-Bi12Ti02Q，其中 x = 0? 1 ~1。
[0008] 本發(fā)明由MgTiOjP Bi 12Ti02Q組分共同燒結(jié)而成的自然極性陶瓷材料壓電應(yīng)變 常數(shù)為12~18pC/N，介電常數(shù)為48~58,壓電電壓常數(shù)g 332 3~41 X 10_3Vm/N，介電損耗 0? 5~1%，熱釋電系數(shù)2. 3~3. 7X10_nC ? cm_2 ? r1，機(jī)電耦合系數(shù)為8~13%。
[0009] 本發(fā)明還提供一種高壓電電壓常數(shù)、低熱釋電系數(shù)的自然極性陶瓷材料的制備方 法。
[0010] 上述高壓電電壓常數(shù)、低熱釋電系數(shù)的自然極性陶瓷材料的制備方法，包括步驟 如下：
[0011] (1)將1%0、1102按（1-3) : (1-3)的摩爾比進(jìn)行混合，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)球磨10~ 12h，然后烘干、研磨，于溫度800~1KKTC下預(yù)燒1~3h，制得MgTi0 3;
[0012] (2)將扮203、1102按6:1的摩爾比進(jìn)行混合，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)球磨10~12h，然 后烘干、研磨，壓成圓形還體，于溫度600~800°C下預(yù)燒1~3h，制得Bi 12Ti02(l;
[0013] (3)分別將步驟⑴制得的MgTi03、步驟⑵制得的Bi12Ti02Q研磨、粉碎，粉碎后 按照MgTi03:Bi 12Ti02(l摩爾比為（0.1~4) :1進(jìn)行混合，加入無(wú)水乙醇進(jìn)行二次球磨，球磨 時(shí)間10~12h，得球磨物料；
[0014] (4)將球磨物料烘干，加入粘合劑進(jìn)行造粒，過(guò)篩后壓制成圓片，然后于600~ 700°C下保溫0. 5~lh進(jìn)行排塑，得排塑圓片；
[0015] (5)將排塑圓片于溫度820~920°C下進(jìn)行溫差燒結(jié)lOmin~3h，自然冷卻到室 溫，得燒結(jié)后中間產(chǎn)品；
[0016] (6)將燒結(jié)后中間產(chǎn)品表面打磨、清洗，在上下表面涂覆銀漿后置于溫度550~ 600°C保溫0. 5~2h，自然冷卻至室溫，制得高壓電電壓常數(shù)、低熱釋電系數(shù)的自然極性陶 瓷材料。
[0017] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（1)、步驟（2)、步驟（3)球磨為采用行星式球磨機(jī)進(jìn)行球磨 時(shí)間10~12h，磨球?yàn)檠趸喦?，球磨罐為尼龍罐，無(wú)水乙醇的用量為被球磨物料總重量的 60% -80%〇
[0018] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（1)、步驟（2)、步驟（4)的烘干溫度為100~110°C，時(shí)間1~ 3h。步驟（1)、步驟（2)、步驟（4)中的烘干主要是去除球磨中添加的無(wú)水乙醇。
[0019] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（1)、步驟（2)中預(yù)燒升溫速率為3~6°C/min，采用氧化鋁坩 堝進(jìn)行燒結(jié)。
[0020] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（3)中，MgTi03:Bi 12Ti02Q的摩爾比為（0? 1~1) :1，進(jìn)一步優(yōu) 選，MgTi03:Bi 12Ti02Q的摩爾比為（0? 1 ~0? 5) :1。
[0021] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（4)中粘合劑為質(zhì)量濃度3~6wt%的聚乙烯醇（PVA)溶液， 聚乙烯醇（PVA)溶液的用量為烘干后球磨物料重量的6~8%。該用量的粘合劑可以使混 合粉料充分粘合。
[0022] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（5)排塑圓片燒結(jié)溫度為850~870°C，燒結(jié)時(shí)間2~3h，升 溫速度為2~5°C /min，優(yōu)選的，排塑圓片燒結(jié)溫度為860°C，燒結(jié)時(shí)間30min。
[0023] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（5)中溫差燒結(jié)為排塑圓片采用上下控溫加熱方式進(jìn)行燒 結(jié)，燒結(jié)時(shí)排塑圓片底部溫度與表面溫度溫差為rc~io°c，優(yōu)選的，排塑圓片底部溫度與 表面溫度溫差為io°c。
[0024] 本發(fā)明采用上下控溫加熱方式進(jìn)行燒結(jié)樣品，控溫加熱方式控制樣品表面比樣品 底部溫度高10°c或低10°C。
[0025] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（5)中溫差燒結(jié)采用溫差燒結(jié)爐進(jìn)行，所述的溫差燒結(jié)爐包 括爐殼和爐膛，在爐膛的底部和頂部分別設(shè)置有帶溫控裝置的加熱裝置，溫控裝置分別控 制爐膛的底部和頂部的加熱裝置，使?fàn)t膛的底部和頂部溫度相差rc~io°c，底部的加熱 裝置上方設(shè)置有加熱板，加熱板上設(shè)置有氧化鋁單晶襯底，爐膛的四周設(shè)置有保溫層，內(nèi)部 設(shè)置有高度不同的熱電偶。該高度不同的熱電偶可以用來(lái)檢測(cè)樣品表面及底部的溫度。通 過(guò)底部和頂部溫控裝置控制上下加熱裝置的溫度控制樣品表面的溫差。
[0026] 本發(fā)明優(yōu)選的，所述的加熱裝置為電阻絲。
[0027] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（6)銀漿涂覆厚度為0. 01~0. 03mm。
[0028] 本發(fā)明步驟（2)中圓形坯體的直徑為20-40mm，厚度為l-5mm，步驟（4)中圓片的 直徑為l〇 _20mm，厚度為l_3mm。
[0029] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：
[0030] 1、本發(fā)明使用溫差燒結(jié)，溫度梯度燒結(jié)誘導(dǎo)取向，得到極化大小和方向一致的樣 品，并且進(jìn)一步提高其壓電性能。用介電常數(shù)比較低的MgTi03代替NauBiuTiCV SrTi03、 Naa 5Bi4.5Ti4015降低材料的介電常數(shù)，提高壓電電壓常數(shù)。
[0031] 2、本發(fā)明制得的陶瓷為不需要極化就具有極性的復(fù)合新型壓電陶瓷。該陶 瓷具有較高的壓電應(yīng)變常數(shù)（18pC/N)、較高的機(jī)電耦合系數(shù)、較小的介電常數(shù)（50)、 較大的壓電電壓常數(shù)g 33(41XKT3Vm/N)、較低的介電損耗（0. 6% )、較小的熱釋電系數(shù) (3. 7X l(TnC ? cnT2 ? IT1)，適合應(yīng)用于壓電式加速度計(jì)等對(duì)g33要求比較高且需抗環(huán)境溫度 劇烈波動(dòng)干擾的相關(guān)器件中。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1為本發(fā)明溫差燒結(jié)爐的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 其中，1、熱電偶，2、爐膛，3、加熱板，4、電阻絲，5、氧化鋁單晶襯底，6、保溫層，7、爐 殼，8、被燒結(jié)樣品。
[0034] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的陶瓷樣品在550°C下的壓電諧振信號(hào)。
[0035] 圖3為本發(fā)明預(yù)燒制得MgTi03和Bi 12Ti02Q的X射線衍射圖。
[0036] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的陶瓷樣品在100kHz下的介電溫譜。
[0037] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的陶瓷樣品諧振頻率隨溫度的變化。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 下面通過(guò)具體實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施 例。
[0039] 實(shí)施例中的原料來(lái)源：
[0040] MgO購(gòu)自阿拉丁試劑（上海）有限公司，純度為99. 99 %。
[0041]Ti02購(gòu)自仙桃中星電子材料公司，純度為99. 8%。
[0042] Bi203購(gòu)自四川蜀都納米材料公司，純度為99.8%。
[0043] 實(shí)施例1:
[0044]一種高壓電電壓常數(shù)、低熱釋電系數(shù)的自然極性陶瓷材料，組成通式為 0? 5MgTi03_Bi12Ti020，
[0045] 制備方法，步驟如下：
[0046] (1)將1%0、1102按1:1的摩爾比進(jìn)行混合，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)球磨12h，無(wú)水乙醇 的用量為Mg0、T