[发明专利]高居里温度压电陶瓷及其薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子陶瓷和压电材料技术领域，尤其涉及一种高居里温度压电陶瓷及其薄膜的制备方法。

背景技术

压电陶瓷广泛用于各类传感器、换能器及微电子器件。地质勘探、航空航天和汽车工业的迅速发展对各类声学换能器及振动传感器等的高温环境作业提出了更高的要求，也相应要求这些器件所使用的压电材料具有更高的居里温度(Tc)。目前最常用的压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)的Tc一般低于360℃。随温度升高，材料会逐渐退极化而导致压电性能退化，其工作温度上限一般是在其居里温度的1/2处，因而PZT的使用温度一般远低于180℃。因此，高居里温度的压电陶瓷的制备需求迫切。

一般压电材料的Tc越高，其压电性能会越差。2001年一种组成为(1-x)BiScO₃-xPbTiO₃(BSPT)的钙钛矿结构压电陶瓷被报道(JapaneseJournalofAppliedPhysics，Vol40，pp5999-6002)。该材料同时具有较好的压电性能和较高居里温度。当x＝0.64时，压电系数d₃₃约为460pC/N,而居里温度Tc约为450℃。然而，该材料这种优异性能的代价是综合电学性能差，如机械品质因数Qm过低造成使用中能耗高、发热严重，且具有制品性能不稳定等问题。另外，该材料的原材料Sc₂O₃价格极其昂贵。这些缺点都严重制约了其实际应用。因此，具有高居里温度、高压电常数及优良综合电学性能的新型压电陶瓷的制备一直是该领域亟待解决的一个难题。这不仅涉及新的材料组成问题，还涉及工艺问题。传统固相反应制备方法存在产品性能不稳定、制备温度高、组成调控难等问题，而溶液化学法具有易精确调整组分、成本低、产物纯度高、微观结构致密均匀、制品性能优异且大范围可调等优点。将该方法用于新型压电陶瓷的制备，可制得前所未有的新型高温压电陶瓷。并可用于制备相应压电陶瓷薄膜材料。

发明内容

针对现有压电陶瓷材料难于同时获得高居里温度和高压电性能和低成本制备以及制品性能重复性差等问题，本发明提供了一种具有高居里温度和高压电系数的新型低成本压电陶瓷，同时还提供了获得均匀致密、综合电性能优良的该类压电陶瓷的新型制备方法，以及可用于其压电陶瓷薄膜的制备方法。

第一方面，本发明提供了一种含铋复合钙钛矿压电陶瓷及其薄膜，其组成用化学通式表示为(1-x)(BiMg_1/2Ti_1/2O₃)-x(PbTiO₃)-yMe，其中x，y为各元素在材料组分中所占的原子百分比，0.3≤x≤0.45，0≤y≤0.05，优选地，x＝0.35～0.39；Me为改性元素，优选地，Me为选自Cr和Mn金属元素中的一种或两种，当Me为两种时，其摩尔分数之和为1。上述高居里温度压电陶瓷及其薄膜为粒径为100～800nm的纳米粉体。

所述高居里温度压电纳米粉体及陶瓷和薄膜的制备方法，其起始原料为铋盐、镁盐、铅盐、铬盐或/和锰盐及有机钛盐，通过选择合适的分散介质、控制溶液的温度和浓度、加料顺序，通过稳定剂的螯合作用，使几种金属盐形成均一的溶胶，再经过浓缩、干燥处理及煅烧工序以制备高居里温度压电纳米粉体，在此基础上经过球磨、干燥、过筛、压片、烧结工序以制备高居里温度压电陶瓷。还可以通过旋涂、浸润等各种溶液法，利用均一溶胶在各种无机基片上制备薄膜，然后经过干燥、退火以制备压电陶瓷薄膜。

第二方面，本发明提供给了一种如第一方面所述的高居里温度压电陶瓷的制备方法，包括：

(1)将铋盐、镁盐、铅盐、锰盐或/和铬盐和有机钛盐按摩尔比称量后分别溶于溶剂，制备相应的金属盐溶液；

(2)向步骤(1)制备的各溶液中加入螯合剂，制成稳定的溶液；

(3)将步骤(2)得到的溶液按一定顺序混合，得到溶胶；

(4)将溶胶于60～100℃下浓缩2～8h，得到湿凝胶，然后依次在100～150℃、160～200℃下分别烘干3～8h，得到干凝胶；

(5)将干凝胶研磨后，于500～850℃下锻烧3～8h，制得压电陶瓷粉料；

(6)将压电陶瓷粉料进行球磨、烘干，加入粘接剂后进行研磨造粒、过筛，然后压制成陶瓷坯体；

(7)将陶瓷坯体排塑后，于950～1150℃下烧结1～6h，制得压电陶瓷体；

(8)将压电陶瓷体涂银电极后，在140～180℃的油浴中极化20～30min后降温，制得压电陶瓷。

上述步骤(1)中，