提高铋层状结构压电陶瓷材料的压电性能以及其温度稳定性的方法

摘要

本发明涉及一种提高铋层状结构压电陶瓷材料的压电性能以及其温度稳定性的方法，所述方法包括，将铋层状结构压电陶瓷材料样品依次进行第一次极化处理、去极化处理以及第二次极化处理，其中，所述第一次极化处理和第二次极化处理均在第一温度和第一电场强度下进行，所述去极化处理为在第二温度下进行的退火处理，所述第一温度为150～200℃，第一电场强度比所述铋层状结构压电陶瓷材料的临界击穿电场强度低10%～30%，第二温度比所述铋层状结构压电陶瓷材料的居里温度高20～80℃。

说明书

技术领域

本发明属于压电陶瓷材料的技术处理领域，涉及一种提高铋层状结构压电陶瓷的压电性能及其温度稳定性的极化方法。

背景技术

近年来，随着我国在能源、冶金、航空航天、电子信息等领域的迅速发展，对能在高温下稳定、可靠地监测关键装备(如高速舰船柴油发电机、冶金轧钢机、钢板碾压机和航空发动机等)振动状态的高温振动传感器的需求日益迫切。其中，压电式高温振动传感器是应用最广、品种最多的传感器之一，其最高使用温度在450℃以上。

压电陶瓷材料是高温压电振动传感器的核心元件。铋层状结构压电陶瓷材料由于居里温度较高(650～970℃)、介电损耗较低以及电阻率较高，是目前482℃高温压电振动传感器用高温压电陶瓷材料的唯一技术方案。但由于其压电性能较差(压电系数d₃₃通常在4～9pC/N)，且压电性能在高温下衰减较快、稳定性差，严重制约了铋层状结构压电陶瓷材料在高温环境下的实际应用，也是我国482℃高温压电振动传感器的研制尚未取得突破的瓶颈之一。

目前，本领域通常通过离子掺杂优化组成设计，以及织构化工艺进行晶粒定向等手段可有效提高铋层状结构压电陶瓷材料的压电性能，如W⁶⁺改性Na_0.5Bi_2.5Nb₂O₉陶瓷材料的d₃₃从10pC/N提高到22pC/N以上，织构化的CaBi₂Nb₂O₉陶瓷材料的d₃₃从7pC/N提高到20pC/N。但是，由于铋层状结构压电材料的晶体结构决定了其极化受二维方向的限制，矫顽场较高，导致极化困难。因此，铋层状结构压电陶瓷材料极化条件极为苛刻，通常需在高温(＞160℃)和强场(＞12kV/mm)条件下才可能完成(传统的PZT压电陶瓷材料在80～120℃和2～5kV/mm条件下即可完成)。实际极化过程中发现，高电场强度极化可较为充分地激发出陶瓷材料的压电性能，但是也极易导致陶瓷材料出现崩边和击穿现象；在较低电场强度下极化，虽然陶瓷材料崩边或被击穿的概率大大降低，但是由于极化不充分，材料的压电性能和温度稳定性极差。因此，如何从极化工艺技术的角度，充分极化铋层状结构压电陶瓷材料，同时避免出现崩边或击穿现象，提高成品率，是本领域的关键难题。

发明内容

本发明旨在克服现有铋层状结构压电陶瓷的压电性能及其温度稳定性方面的缺陷， 本发明提供了一种提高铋层状结构压电陶瓷材料的压电性能以及其压电性能随温度稳定性的方法。

本发明提供了一种提高铋层状结构压电陶瓷材料的压电性能以及压电性能随温度稳定性的方法，所述方法包括，将铋层状结构压电陶瓷材料样品依次进行第一次极化处理、去极化处理以及第二次极化处理，其中，所述第一次极化处理和第二次极化处理均在第一温度和第一电场强度下进行，所述去极化处理为在第二温度下进行的退火处理，所述第一温度为150～200℃，第一电场强度比所述铋层状结构压电陶瓷材料的临界击穿电场强度低10％～30％，第二温度比所述铋层状结构压电陶瓷材料的居里温度高20～80℃。

较佳地，所述第一电场强度为强度10～14kV/mm。

较佳地，所述第二温度比所述铋层状结构压电陶瓷材料的居里温度高50～80℃。

较佳地，所述铋层状结构压电陶瓷材料样品的厚度为0.5～1mm。

较佳地，所述铋层状结构压电陶瓷材料为Na_0.5Bi_2.5Nb₂O₉基陶瓷材料。

较佳地，所述第一次极化处理和第二次极化处理的时间分别为20～40分钟。

较佳地，所述去极化处理的工艺参数包括：以3～5℃/分钟将样品加热至第二温度并保温4～8小时。

本发明的有益效果：

本发明公开了一种提高铋层状结构压电陶瓷材料压电性能及其温度稳定性的二次极化方法，其具体步骤是首先将铋层状结构压电陶瓷材料在高温和较低电场强度(10～14kV/mm)条件下进行第一次极化，然后将极化后陶瓷材料在高温下(高于陶瓷材料居里温度20～80℃)退火，以完全去极化，最后将去极化后陶瓷在与第一次极化相同条件下进行第二次极化。采用本发明所述方法可提高陶瓷材料的压电性能及其温度稳定性，同时保证在极化过程中无崩边或者击穿现象，为铋层状结构压电陶瓷的实际高温应用起到了推进作用。

附图说明

图1示出了传统一次极化(Na,Bi)_0.5-x(Li,Ce)_xNb₂O₉陶瓷压电性能及其稳定性(a)和本发明二次极化(Na,Bi)_0.5-x(Li,Ce)_xNb₂O₉陶瓷压电性能及其稳定性(b)。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

为了解决现有铋层状结构压电陶瓷材料极化技术存在的高温强场极化导致崩边或击穿、而高温低场极化不充分的难题，本发明提供了一种提高铋层状结构压电陶瓷材料压电性 能及其温度稳定性的二次极化方法，以满足制备压电活性高、温度稳定好的高温压电振动传感器用高温压电陶瓷材料的要求，为铋层状结构压电陶瓷材料在高温领域的应用起到了推进作用。

为达到上述目的，本发明公开了一种提高铋层状结构压电陶瓷材料压电性能及其温度稳定性的二次极化方法，其具体步骤是首先将铋层状结构压电陶瓷材料在高温和较低电场强度(10～14kV/mm)条件下进行第一次极化，然后将极化后陶瓷材料在高温下(高于陶瓷材料居里温度50～80℃)退火，以完全去极化，最后将去极化后陶瓷在与第一次极化相同条件下进行第二次极化。采用本发明所述方法可提高陶瓷材料的压电性能及其温度稳定性，同时保证在极化过程中无崩边或者击穿现象，为铋层状结构压电陶瓷的实际高温应用起到了推进作用。

具体来说，所述铋层状结构压电陶瓷材料的二次极化工艺，包括下述极化工艺步骤：

1.1第一次极化：在150～200℃内和较低电场强度10～14kV/mm条件下，将铋层状结构压电陶瓷材料样品极化20～40分钟。通过这一步骤，使样品进行了初次极化，同时较低电场强度还能保证样品不出现崩边或击穿现象；

1.2高温退极化：第一次极化结束后，以3～5℃/分将样品加热至高温T₁(比居里温度T_c高20～80℃)，并保温4～8小时，然后随炉冷却至室温；通过这一步骤，使极化样品完全退极化；

1.3第二次极化：将退极化样品在步骤1所述条件下再次极化。通过这一步骤，可使样品充分极化但又不出现崩边或击穿现象。

所施加的极化电场强度略低于该材料的临界击穿电场强度。

高温T₁比居里温度T_c高50～80℃。

所述铋层状结构压电陶瓷材料样品的厚度为0.5～1mm。

所述铋层状结构压电陶瓷材料样品为Na_0.5Bi_2.5Nb₂O₉基陶瓷材料。

采用该发明工艺后，Na_0.5Bi_2.5Nb₂O₉基陶瓷材料的压电系数d₃₃提高30～50％，温度稳定性显著提升。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内 选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

1.在200℃和电场强度14kV/mm条件下，将(Na,Bi)_0.5-x(Li,Ce)_xNb₂O₉(x＝0.04,0.06,0.08和0.10)铋层状结构压电陶瓷材料样品(厚度0.5mm)极化30分钟，完成第一次极化；

2.将第一次极化后样品以5℃/分的升温速率加热至850℃，并保温6小时，然后随炉冷却至室温；

3.将完全去极化样品在与步骤1同样条件下进行第二次极化；

4.为了对比一次极化和二次极化对压电性能温度稳定性的影响，在完成第一次极化和第二次极化后，分别取部分样品在不同温度下(具体温度值见图1)老化4h，待样品随炉冷却至室温后取出，测量其压电系数d₃₃；

5.从图1可以看出，与传统一次极化工艺相比，通过本发明的二次极化工艺对(Na,Bi)_0.5-x(Li,Ce)_xNb₂O₉铋层状结构压电陶瓷材料进行极化后，压电系数d₃₃提高约30％，温度稳定性显著提升。