[发明专利]一种高绝缘铁酸铋基高温压电玻璃陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及压电玻璃陶瓷材料，具体是一种高绝缘铁酸铋基高温压电玻璃陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

作为一种可实现机械能与电能相互转换的功能材料，特别是PZT基陶瓷材料具有良好的压电和机电耦合性能，从而被广泛的应用于换能器、驱动器、超声马达、传感器等领域。由于铅的污染问题及人类社会可持续发展，开发具有高的压电和机电耦合性能的绿色环保型的无铅压电陶瓷材料成为近年来的研究热点。此外，随着航空航天、机械、建筑、汽车等行业的振动与冲击测量对可靠性和降低噪音的要求，环境友好型高温压电材料逐渐成为世界各国研究的重点。BiFeO₃(BFO)陶瓷具有优良的高温压电铁电性能，是最有希望得到应用的无铅高温材料材料之一。然而，目前BFO基无铅压电陶瓷材料还存在诸多问题：如陶瓷材料难以烧结，绝缘性差，漏电流较大，电极化强度较小，压电性能无法体现，因而限制了它的应用。

近期发展起来的通过可控结晶技术制备的零孔隙率玻璃陶瓷复合材料已成为制备高绝缘材料的重要发展方向之一。相比于传统的烧结压电陶瓷，玻璃陶瓷复合材料的显著特点体现在：在保持优异的电性能的同时，该类材料的绝缘性，致密度更高，微观结构可控。因此，采用该技术来制备BFO陶瓷，可显著提高致密度及绝缘性，有利于发挥其压电性能，拓展其应用范围。

但是，目前还未见到BFO玻璃陶瓷及其制备方法的报道。主要困难在于玻璃体系的选择及形核结晶的控制，导致BFO的玻璃形成能力及晶粒大小、形貌，含量难以控制。

发明内容

本发明的目的是要提供高绝缘铁酸铋基高温压电玻璃陶瓷复合材料及其制备方法，这种无铅玻璃陶瓷具有优异的压电性能及高温稳定性，退极化温度T_d>600°C，机械品质因数高，环境友好、成本低、易于工业化生产。

实现本发明目的的技术方案是：

一种高绝缘铁酸铋基高温压电玻璃陶瓷复合材料，其配方化学式为：

BiFeO₃+x(20Bi₂O₃-30SiO₂-30CaO-20ZrO₂)+0.02Sc₂O₃或

BiFeO₃+x(35Bi₂O₃-30SiO₂-25CaO-10ZrO₂)+0.05Sc₂O₃

其中x表示摩尔分数，0<x<0.2。

本发明高绝缘铁酸铋基高温压电玻璃陶瓷复合材料的其制备方法，包括如下步骤：

（1）将原料按照化学式

BiFeO₃+x(20Bi₂O₃-30SiO₂-30CaO-20ZrO₂)+0.02Sc₂O₃或

BiFeO₃+x(35Bi₂O₃-30SiO₂-25CaO-10ZrO₂)+0.05Sc₂O₃

其中x表示摩尔分数，0<x<0.2，进行配料，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后在坩埚中以950-1100°C保温2小时形成均匀的玻璃液；

（2）将混合好的玻璃液快速深冷，然后加工成厚度约为1.0mm的薄片。

（3）将制备好的薄片以1°C/min的升温速率升温到450-580°C保温24小时形核，

（4）以1°C/min的升温速率升温到620-820°C保温72小时析晶，缓冷至650°C保温42小时，取出快速冷却；

（5）披银电极，然后在硅油中极化，极化电场8kV-20kV/mm，温度100-150°C，时间30分钟。保持电场冷却至室温后撤去电场，取出样品。样品按IRE标准对制成的压电陶瓷进行压电性能测量。