铋层状结构压电陶瓷及其制备方法以及提高铋层状结构压电陶瓷高温电阻率的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于压电陶瓷材料的制备领域，设及一种在高温下电阻率较高的饿层状结 构压电陶瓷及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 压电陶瓷材料是实现机-电能量转换和禪合的一类极其重要的功能材料，在航空 航天、电子信息、能源、先进制造、医疗系统和武器装备等领域有广泛的应用。近年来，我国 在航空航天、能源、医疗和空间技术等领域发展十分迅速，对其中关键功能部件提出了越来 越苛刻的要求。在一些重要领域应用的压电器件如声波测井仪、超声电机、高温压电振动传 感器等的一个共同特点就是工作环境温度高，该就要求压电陶瓷材料在高温下能稳定、可 靠的工作。
[0003] 压电陶瓷材料是高温振动传感器的核屯、元件。饿层状结构压电陶瓷材料由于居里 温度较高化50~970°C )、介电损耗较低W及电阻率较高，是目前482°c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。但由于其电阻率随温度升高急剧下降，漏电流增 大，直接导致相关压电器件失效，严重制约了饿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°C高温压电振动传感器的研制尚未取得突破的瓶颈之一。
[0004] 目前，本领域通常采用离子渗杂优化组成设计W及织构化工艺调控微结构等 手段来提高饿层状结构压电陶瓷材料的高温电阻率。如通过w 6+施主渗杂取代可将饿 层状结构BisTiNbOg和化。.sBis. 5佩2〇9压电陶瓷的电阻率提高2~3个数量级（J. Appl. 化ys.，100, 2006:044112 ;Appl. Phys. Lett.，104, 2014:012904);通过织构化热锻烧结工 艺调控微结构后，可使BisTiNbOg压电陶瓷在平行热锻轴方向的电阻率比垂直方向高出1~ 2个数量级。但是，由于压电陶瓷材料的性能往往是相互制约、相互影响的。离子渗杂取代 可提高压电陶瓷材料的电阻率，但同时也会降低材料的居里温度甚至压电系数（评价压电 陶瓷材料性能的另外两个重要参数）；而织构化工艺如热压、热锻、快速等离子体烧结等手 段，工艺较为复杂、重复性较差。因此，如何在保持饿层状结构压电陶瓷材料高居里温度的 同时，协同提高其高温电阻率，是高温压电陶瓷应用领域的研究重点和关键难题。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在克服现有饿层状结构压电陶瓷材料在高温条件下的性能缺陷，本发明 提供了一种饿层状结构压电陶瓷及其制备方法。
[0006] 一种具有高温下高电阻率的饿层状结构压电陶瓷，其中，所述饿层状结构压 电陶瓷包括主相和作为第二相的具有高绝缘电阻的氧化物粉体颗粒，其中，主相包括 Na〇.5Bi2.sNb2〇9、Bi3TiNb〇9、CaBi2Nb2〇9和 / 或 Bi Ji3〇i2,第二相与主相的重量比《10%，优选 在1~5%之间。
[0007] 较佳地，具有高绝缘电阻的氧化物粉体颗粒为Al2〇3粉体颗粒。
[000引较佳地，所述第二相形成于主相的晶界处，不进入主相的晶格中。
[0009] 本发明还提供了一种上述饿层状结构压电陶瓷的制备方法，包括： 1) 按所述饿层状结构压电陶瓷主相组成，分别称取相应氧化物原料，经均匀混合后，在 650~900°C下合成，获得主相物质为组成的压电陶瓷粉体； 2) 按所述饿层状结构压电陶瓷第二相组成，称取相应氧化物原料，将W主相物质为组 成的压电陶瓷粉体、W及所述第二相氧化物粉体，均匀混合后作为原料粉体； 3) 将原料粉体进行成型处理，形成所述饿层状结构压电陶瓷的巧体； 4) 将巧体在1000~1200°C下烧结得到所述饿层状结构压电陶瓷。
[0010] 本发明还提供一种提高饿层状结构压电陶瓷的高温下的电阻率的方法，其中所 述方法包括采用具有高绝缘电阻的氧化物粉体颗粒填充饿层状结构压电陶瓷片状颗粒堆 积形成的空隙或者气孔，所述氧化物粉体颗粒与饿层状结构压电陶瓷片状颗粒的重量比 《10%。
[0011] 较佳地，采用固相反应法制备，将具有高绝缘电阻的氧化物粉体颗粒加入到合成 后的饿层状结构压电陶瓷片状颗粒中，再通过成型、烧结制备改性的饿层状结构压电陶瓷， 所述改性饿层状结构压电陶瓷相对未加入所述具有高绝缘电阻的氧化物粉体颗粒的饿层 状结构压电陶瓷，高温下电阻率提高1~3个数量级。
[0012] 本发明的有益效果： 本发明公开了一种提高饿层状结构压电陶瓷高温电阻率的方法。采用具有高绝缘电 阻的氧化物粉体颗粒填充饿层状结构压电陶瓷（组成为本发明中主相物质）片状颗粒堆积 形成的空隙或者气孔，在固相反应法制备陶瓷材料过程中，具有高绝缘电阻的氧化物粉体 加入到合成后的压电陶瓷粉体中，然后通过成型、烧结等工艺制备出氧化物改性的饿层状 结构压电陶瓷；采用本发明提出的新方法，通过氧化物渗杂在晶界处形成第二相、调控微结 构，可W在有效提高饿层状结构压电陶瓷高温电阻率的同时，协同优化其介电和压电性能， 为制备出满足高温压电振动传感器用饿层状结构压电陶瓷提供了新途径。
【附图说明】
[0013] 图1示出了 W主相物质为组成的压电陶瓷的片状晶粒形貌示意图； 图2示出了本发明的饿层状结构压电陶瓷中第二相填充颗粒在主相物质中的示意图； 图3示出了不同Al2〇3渗杂量改性化。.5Bi2.sNb2〇9陶瓷的自然表面形貌（SEM); 图4示出了不同Al2〇3渗杂量改性化。.5Bi2.sNb2〇9陶瓷的高温电阻率随温度的变化图。
【具体实施方式】
[0014] W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。
[0015] 为了在保持饿层状结构压电陶瓷材料高居里温度的同时，协同提高其高温电阻 率，本发明提供了一种采用具有高绝缘电阻氧化物颗粒填充片状晶粒堆积空隙的方法，提 高（W本发明中主相物质为组成的）饿层状结构压电陶瓷材料的电阻率，W满足高温压电 振动传感器用高温压电陶瓷材料的要求，为饿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。
[0016] 通常，（W本发明中主相物质为组成的）饿层状结构压电陶瓷的晶粒具有典型的 大径高比片状形貌特征。烧结过程中，由于片状晶粒随机取向排列，极易在多晶界处形成堆 积空隙（或气孔），如图1所示。该些空隙或者气孔，一方面降低了材料的致密度，极化过程 中陶瓷不能施加较高电压（否则会被击穿），导致无法充分激发出陶瓷的压电性能；另一方 面会形成漏电流通道，从而降低陶瓷的电阻率。
[0017] 因此，本发明提出了一种采用具有高绝缘电阻的氧化物颗粒填充上述堆积空隙或 气孔的方法，如图2所示，通过在晶界处形成第二相调控微结构，提高陶瓷材料的致密度W 及阻碍电流通道的形成，进而提高电阻率。通过调控合适的渗杂量，可使第二相只形成于 晶界处，而不进入压电陶瓷材料的晶格中，同时第二相为非铁电体相，因此对压电陶瓷的介 电、铁电和压电性能不产生显著的影响。而且，由于电阻率的提高，在对陶