[发明专利]一种锆锰酸铋-钪酸铋-钛酸铅系压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锆锰酸铋‑钪酸铋‑钛酸铅系压电陶瓷材料及其制备方法。该压电陶瓷材料的化学通式为xBi(Mn_1/2Zr_1/2)O₃‑(1‑x‑y)BiScO₃‑yPbTiO₃，其中x＝0.02～0.06，y＝0.62～0.67，采用化学计量比的金属氧化物和/或金属碳酸盐为原料，采用传统的固相反应法即可制得。本发明通过引入具有钙钛矿结构锆锰酸铋Bi(Mn_1/3Zr_1/2)O₃作为第三元，与钪酸铋‑钛酸铅形成三元系固溶体，大幅降低了材料的介电损耗tanδ，同时还拥有高居里温度以及优异的压电性能，在高频、高电压驱动，或者高频声换能器、传感器应用方面有着明显的优势。同时，该材料制备工艺简单稳定，同时其较低的烧结温度有助于制备多层共烧陶瓷元件和节约成本，适于大规模工业生产，具有实际的应用价值和广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于压电陶瓷材料领域，涉及较高温度环境下应用的压电陶瓷材料，具体涉及一种低损耗、高居里温度的锆锰酸铋-钪酸铋-钛酸铅系压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷是实现机械能与电能相互耦合和转化(换能)的一类功能性材料。在先进制造、电子信息、能源探测和国防等领域有着非常广泛的应用，比如，高温压电驱动器、超声马达、深井下声波探测、高温换能器和传感器等，压电陶瓷材料是整个系统的核心部件。因此，压电陶瓷材料的性能参数，特别是材料的高温压电性能和高温介电损耗，直接决定了系统性能的优劣。较高的居里温度，一般意味着高的使用温度；而低的介电损耗，意味着器件或系统在高温下长期工作的性能稳定性。高温陶瓷作为传感器应用，低的介电损耗意味着在高温下具有更低的噪音信号，因此传感器具有更高的灵敏度。

目前压电材料中应用最广泛的是锆钛酸铅(PZT)基压电陶瓷，但是这类压电材料的居里温度一般在190-350℃范围。由于压电材料存在高温退极化现象，压电材料在接近居里温度或在居里温度以上的工作环境下工作，将不可逆转的因失去压电效应而失效。铋层状压电陶瓷虽然具有更高的居里温度，但是其贫瘠的压电常数(d₃₃～30pC/N)限制了它的使用。因此，传统的PZT陶瓷和铋层状陶瓷材料不能满足许多高温环境下的应用需要。

钙钛矿结构铁电体钪酸铋-钛酸铅(BiScO₃-PbTiO₃)以其与PZT基陶瓷性能相当的电学性能，同时高达450℃的居里温度引起人们的关注。但是由于其介电损耗较大，持续在高温和高频率下工作会造成严重能量损耗，虽然一些研究者还通过引入二氧化锰(MnO₂)、铌锰酸铅(Pb(Mn_1/3Nb_2/3)O₃)和锑锰酸铅(Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃)来获得降低介电损耗的效果，但是这种方法对介电损耗的抑制程度有限，并且往往还导致压电性能严重退化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低介电损耗tanδ，同时还拥有高居里温度T_c和优异的压电性能的材料。为实现该目的，本发明通过引入具有钙钛矿结构锆锰酸铋Bi(Mn_1/3Zr_1/2)O₃作为第三元，与钪酸铋-钛酸铅形成三元系固溶体，获得了一种新的锆锰酸铋-钪酸铋-钛酸铅系高温压电陶瓷材料，急剧降低介电损耗，同时保证了其400℃以上的居里温度和较高的d₃₃。该材料在高温电子材料领域具有实际的应用价值。

具体的，本发明的技术方案如下：