CN103708817A - 一种高耐压无铅高温铁电陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高耐压无铅高温铁电陶瓷陶瓷及其制备方法，成分以通式(1-x)BiFeO₃-xBaTiO₃+[5%Bi₂O₃+1%MnO₂+0.5%ZnO+1%Nb₂O₅]，其中x表示摩尔分数，0<x<0.5。本发明的无铅压电陶瓷采用两步合成工艺，闪烧技术以及快冷工艺，烧结时间短，工艺简单、耐压性能高，介电损耗低。

Description

一种高耐压无铅高温铁电陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及铁电陶瓷材料，具体是一种高耐压无铅高温铁电陶瓷及其制备方法。

背景技术

    高温铁电压电材料被广泛应用于原子能、航空航天、汽车、冶金与石油化工等工业的振动与冲击测量。近几年来, 随着原子能、航空航天、汽车、冶金与石油化工等工业的迅猛发展，要求铁电压电传感器在更高温度下工作，对高温铁电压电材料和器件的需求越来越迫切。如监控汽车发动机的预点火爆震铁电压电传感器、航空航天发动机***振动传感器要求尽可能的靠近发动机，可以有效的减少废气中污染物的排放和提高发动机的燃油效率，提高发动机的可靠性。下一代新型涡轮发动机的无损检测，更高效的喷气发动机、蒸汽机以及核能发电的自动监控等，以及航天航空、卫星、导弹的自动控制、汽车发动机燃油监控等众多特殊领域，都非常迫切需要能够在高温下正常工作而不失效的压电传感器。钙钛矿结构(1-x)BiFeO₃-xBaTiO₃ [(1-x) BF-xBT]基无铅压电陶瓷具有优良的铁电压电性能，兼有优异的高温稳定性，有望在高温压电传感器取得广泛应用。但是由于(1-x) BF-xBT体系陶瓷烧结时Bi³⁺易挥发，Fe³⁺离子变价(Fe³⁺→Fe²⁺)，产生氧空位，导致室温漏电流大，难以极化，需要在氧气氛烧结。通过Mn掺杂，结合氧气氛烧结，抑制了氧空位的产生，提高了绝缘性，但其耐压性还需进一步提高以满足实际应用的需求。

现有文献还未有 (1-x) BF-xBT体系陶瓷耐压性及闪烧法制备技术的报道。

发明内容

本发明的目的是提供具有高耐压性，环境友好型、稳定性好的无铅高温铁电陶瓷及制备方法。

实现本发明目的的技术方案是：

采用共掺杂大金属阳离子与小金属离子来抑制Fe³⁺离子以及Mn²⁺离子的变价，提高耐压性；同时采用闪烧法，样品直接升温到烧结温度，短时保温，利用快速液相烧结致密化，减少保温时间，抑制高温Bi的挥发，再通过过量Bi补偿，获得高致密，组织均匀的陶瓷材料，进一步提高耐压特性。

一种高耐压无铅高温铁电陶瓷，其配方组成通式为：(1-x)BiFeO₃-xBaTiO₃+[5%Bi₂O₃+1%MnO₂+0.5%ZnO+1%Nb₂O₅]，其中x表示摩尔分数， 0<x<0.5。

一种高耐压无铅高温铁电陶瓷的制备方法，采用两步合成工艺，第一步合成主体组元(1-x)BiFeO₃-xBaTiO₃，第二步将合成的(1-x)BiFeO₃-xBaTiO₃ 粉体与掺杂氧化物[5%Bi₂O₃+1%MnO₂+0.5%ZnO+1%Nb₂O₅]合成固溶体。烧结时采用闪烧法，直接将样品放入烧结温度（900-1000°C）的烧结炉中，短时（1-20分钟）保温，然后取出在空气中快速冷却。

本发明的陶瓷组成是一种绿色环保型耐压铁电陶瓷，耐压性能优良，有利于施加高压极化发挥压电性能，降低介电损耗。本发明可采用传统压电陶瓷制备技术，原料从工业用原料中获得，制备工艺简单、稳定，具有实用性。

具体实施方式

实施例1：

成分为：0.78BiFeO₃-0.22BaTiO₃+[5%Bi₂O₃+1%MnO₂+0.5%ZnO+1%Nb₂O₅]

制备方法是：

以分析纯Bi₂O₃、Fe₂O₃、BaCO₃为原料，按照化学式0.78BiFeO₃-0.22BaTiO₃进行配料，以无水乙醇为介质球磨湿磨24小时，烘干后在780 ℃保温2小时预合成瓷料。

合成的瓷料与Bi₂O₃、Nb₂O₅、MnO₂和ZnO按照化学式0.78BiFeO₃-0.22BaTiO₃+[5%Bi₂O₃+1%MnO₂+0.5%ZnO+1%Nb₂O₅] 配料，以无水乙醇为介质二次湿磨24小时，烘干后在800 ℃保温2小时固溶体，之后在研钵中研磨1小时，然后加5%浓度的PVA溶液作为粘结剂，压制成素坯，成型后的素坯在700°C保温2小时排出PVA，冷却后直接放入980°C的烧结炉中，保温时间5分钟取出空气中冷却。

烧结后的样品加工成两面光滑、厚度约1mm的薄片，披银电极，然后测量介电损耗，在硅油中测量耐压性能。

性能测量结果如表1所示。

实施例2：

成分为：0.80BiFeO₃-0.20BaTiO₃+[5%Bi₂O₃+1%MnO₂+0.5%ZnO+1%Nb₂O₅]

制备方法同实施例1，不同的是烧结温度950°C，保温时间10分钟。

实施例3：

成分为：0.85BiFeO₃-0.15BaTiO₃+[5%Bi₂O₃+1%MnO₂+0.5%ZnO+1%Nb₂O₅]

制备方法同实施例1，不同的是烧结温度900°C，保温时间2分钟。

实施例4：

成分为：0.70BiFeO₃-0.30BaTiO₃+[5%Bi₂O₃+1%MnO₂+0.5%ZnO+1%Nb₂O₅]

制备方法同实施例1，不同的是烧结温度1000°C，保温时间20分钟。

实施例5：

成分为：0.75BiFeO₃-0.25BaTiO₃+[5%Bi₂O₃+1%MnO₂+0.5%ZnO+1%Nb₂O₅]

制备方法同实施例1，不同的是烧结温度980°C，保温时间1分钟。

 

表1 实施例1-5样品的耐压性能及介电损耗

样品	耐压电场(kV/cm)	介电损耗（%）
			实施例1	162	1.2
实施例2	136	1.5
			实施例3	181	0.9
实施例4	154	1.1
			实施例5	139	1.8

通过上面给出的实施例，可以进一步清楚的了解本发明的内容，但它们不是对本发明的限定。

Claims (2)

1.一种高耐压无铅高温铁电陶瓷陶瓷，其特征在于：组成通式为：(1-x)BiFeO₃-xBaTiO₃+[5%Bi₂O₃+1%MnO₂+0.5%ZnO+1%Nb₂O₅]，其中x表示摩尔分数， 0<x<0.5。

2.权利要求1所述高耐压无铅高温铁电陶瓷陶瓷的制备方法，其特征在于：采用两步合成工艺，第一步合成主体组元(1-x)BiFeO₃-xBaTiO₃，第二步将合成的(1-x)BiFeO₃-xBaTiO₃ 粉体与掺杂氧化物[5%Bi₂O₃+1%MnO₂+0.5%ZnO+1%Nb₂O₅]合成固溶体，烧结时采用闪烧法，直接将样品放入烧结温度900-1000°C的烧结炉中，短时1-20分钟保温，然后取出在空气中快速冷却。