[发明专利]一种无稀土掺杂高居里温度压电陶瓷元件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种无稀土掺杂高居里温度压电陶瓷元件，所述无稀土掺杂高居里温度压电陶瓷元件的化学通式为：(1‑x‑y)CaBi₂Ta_2‑aNb_aO₉+xNa_0.5‑bK_bBi_2.5Nb₂O₉+ySrBi₂Nb_2‑cSb_cO₉+zwt％P，其中，0.05≤x≤0.85，0≤y≤0.1，0a≤0.2，0b≤0.2，0c≤0.1，0z5，P为CoO和MnCO₃中一种或两种烧结助剂的组合。本发明还公开了前述压电陶瓷元件的制备方法，本发明制备得到的压电陶瓷元件具有居里温度高、低老化率的优点。

技术领域

本发明涉及功能陶瓷领域，尤其涉及一种无稀土掺杂高居里温度压电陶瓷元件及其制备方法。

背景技术

振动，或加速度信号的测量是工业上的最为基本测量参量之一。任何设备只要发生机械运转，就会产生振动信号。对于振动信号的测量，既能检测设备当前的运行状态，也能对异常信号及时报警，保护设备避免发生重大损毁。因此，振动，或加速度信号的测量被广泛的用于设备的自动控制，故障预警以及健康诊断等方面。随着工业4.0，“互联网+”，物联网等的高速发展，自动控制、交通运输、高端装备、先进武器等对于各类用途的传感器成爆炸式的增长需求。而对于先进航空发动机、舰船燃气轮机、蒸汽轮机、冷却循环水、深空探测器等对于极端环境下，特别是高温环境下的姿态探测与控制，设备运行状态监测与故障报警，健康诊断等亟需能够长期在高温状态下长期、稳定服役的压电式振动传感器，其关键核心就是一种能在高温长时稳定工作的压电陶瓷元件。

铋层状结构压电陶瓷是一类具有高居里温度的压电陶瓷体系，但是较低的压电性(d₃₃7pC/N)限制了其实用化。目前，通过稀土离子，如La³⁺，Ce³⁺/Ce⁴⁺，Pr³⁺，Nd³⁺，或稀土离子结合碱金属离子的复合离子，如K⁺La³⁺，Li⁺Ce³⁺，Na⁺Ce³⁺等掺杂置换铋层状陶瓷结构中的A位离子，能够显著的提高陶瓷的压电活性，d₃₃可达12～25pC/N，但是会造成陶瓷居里温度一定程度的下降。特别地，文献表明通过Ce³⁺掺杂虽然能够提高陶瓷的压电活性，但是会造成陶瓷压电温度稳定性和高温直流电阻率的显著下降，降低了该类陶瓷可使用的温度范围。同时，稀土元素是一种不可再生的，在荧光材料、电光源材料、永磁材料、催化材料、精密陶瓷材料、激光材料、超导材料、磁致伸缩材料等具有重要作用的战略性资源。因此积极寻找稀土元素的替代物，获得高性能，高稳定性，低老化率的高温压电陶瓷，为这类电子元件及其相关器件的研制、生产和应用，具有重要经济价值。另一方面，现有不添加稀土离子的CaBi₂Ta₂O₉等高居里温度铋层状结构陶瓷的压电性能d₃₃值较低，一般不超过15pC/N，难以作为敏感元件用于制备压电式振动传感器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种居里温度高、低老化率的无稀土掺杂高居里温度压电陶瓷元件及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：