本發(fā)明涉及壓電陶瓷聚合物復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種適應(yīng)高溫環(huán)境的壓電材料及制備方法。
背景技術(shù)：
：壓電材料是指拉伸或壓縮時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，使材料相對的兩個表面出現(xiàn)等量異號電荷的現(xiàn)象的材料。材料承受外力越大，則表面電荷就越多，這種效應(yīng)稱做壓電效應(yīng)。由于材料要產(chǎn)生壓電效應(yīng),其原子、離子或分子晶體必須具有不對稱中心，因此在較高溫度下，其晶體會發(fā)生偏移，導(dǎo)致壓電材料失靈。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，原子能、能源、航空航天、冶金、石油化工等許多工業(yè)和科研部門迫切需要能夠在更高的溫度下工作的電子設(shè)備。一般來說，塊體壓電材料的適用范圍往往被限制在其居里溫度的一半左右，這樣才能保證其壓電性能的穩(wěn)定性，使壓電器件能夠正常工作。眾所周知，pzt基壓電陶瓷的居里轉(zhuǎn)變溫度一般為300-360℃，不能滿足某些應(yīng)用領(lǐng)域的需要。在高溫壓電陶瓷領(lǐng)域，已經(jīng)有一些嘗試性的工作。中國發(fā)明專利申請?zhí)?01510961673.8公開了一種耐高溫壓電陶瓷及其制備方法。該壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)通式為：pb(zr1/2ti1/2)x(ni1/3nb2/3)y(sb1/3nb2/3)z(mg1/3nb2/3)1-x-y-zo3+wmol%a，x的取值范圍為0.85-0.97，y的取值范圍為0.01-0.10，z的取值范圍為0.01-0.05，w的取值范圍為0.05-2.0，a為堿金屬或堿土金屬的改性元素。該發(fā)明解決了現(xiàn)有的壓電陶瓷使用溫度低且電學(xué)性能無法滿足要求的問題；可以在200℃以上使用，具有高壓電常數(shù)、高介電常數(shù)。中國發(fā)明專利申請?zhí)?01010231963.4公開了一種通過加入第二相對壓電陶瓷進(jìn)行增韌的方法，其中，第二相為鈦酸鉀晶須，且鈦酸鉀晶須的加入量為壓電陶瓷重量的0.1％～5％，鈦酸鉀晶須的化學(xué)式為k2o·ntio2，式中n為1、2、4、6或8。本發(fā)明以鈦酸鉀晶須特別是六鈦酸鉀為第二相添加物，增韌效果顯著，并具有保持或提高壓電性、降低介質(zhì)損耗的優(yōu)勢。此外，鈦酸鉀晶須的機械性能好，耐高溫，在壓電陶瓷結(jié)構(gòu)內(nèi)穩(wěn)定、成本低、分散加入方便。中國發(fā)明專利申請?zhí)?01010258362.2公開了一種鈦酸鉍基高居里溫度壓電陶瓷及其制備方法。用傳統(tǒng)固相燒結(jié)法制備(1-x)(0.6bi4ti3o12-0.4batio3)-xpbtio3陶瓷,其中,x=0.02～0.10。該發(fā)明以熔鹽法制備的bi4ti3o12、分析純的batio3、pb3o4、tio2為原料制備的高居里溫度壓電陶瓷。粉料經(jīng)混合球磨、烘干、預(yù)燒、二次球磨、造粒、成型、排膠,最后在1050～1100℃中燒結(jié)2h～4h,制備出所需的陶瓷材料。上述各項發(fā)明表明，目前通過壓電陶瓷的摻雜和納米結(jié)構(gòu)化，可以在一定程度上提高壓電陶瓷的耐高溫性，但是這并不是長久的解決之道。只有通過重新設(shè)計材料結(jié)構(gòu)，使用新的元素，才能從根本上解決問題。眾所周知，石英是常用的壓電材料，而且石英具有高溫穩(wěn)定的特性。而且價格便宜，制備相對簡單。因此，我們可以之為模板在其基礎(chǔ)上，開發(fā)一種新型適應(yīng)高溫環(huán)境的壓電材料。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對目前壓電陶瓷的高溫穩(wěn)定性差，雖然在一定程度上，可以通過壓電陶瓷的摻雜和納米結(jié)構(gòu)化，提高壓電陶瓷的耐高溫性。但是這種改性方案無法滿足新的溫度挑戰(zhàn)，只有通過重新的設(shè)計材料，才可能從根本上解決問題。為解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種適應(yīng)高溫環(huán)境的壓電材料的制備方法，本發(fā)明首先將li、ge原料在高能球磨中機械合金化，然后與有機溶劑混合預(yù)制成漿體，與二氧化硅凝膠共混分散，經(jīng)過壓片、燒結(jié)得到高居里溫度壓電材料，具體方法如下：（1）將40-60重量份的li顆粒和40-60重量份的ge顆?；旌?，在保護(hù)氣氛環(huán)境的高能球磨機中機械合金化10-25min，得到lige合金粉末；（2）將lige合金粉末與有機溶劑按1：1-5比例攪拌混合，得到均勻的lige合金懸浮液，再與二氧化硅溶膠混合，攪拌均勻，得到前驅(qū)溶膠；（3）將前驅(qū)溶膠經(jīng)過壓片成型，600-900℃燒結(jié)得到高居里溫度壓電材料ligesio5。優(yōu)選的，所述li顆粒和ge顆粒的粒徑為1-3mm。優(yōu)選的，所述保護(hù)氣氛為氬氣或氮氣保護(hù)，氣壓為100-10kpa。優(yōu)選的，所述高能球磨使用氧化鋁球，球料比為30:1，球磨機轉(zhuǎn)速為400r/min，球磨完成后停機取樣。優(yōu)選的，所述有機溶劑為四氯化碳、苯、二甲基亞砜、四氫呋喃、乙腈、苯腈或者甲醇的一種或幾種中的至少一種。優(yōu)選的，所述lige合金懸浮液與所述二氧化硅溶膠的比例為1:1，所述攪拌頻率為10-20r/min。優(yōu)選的，所述壓片成型的壓力為0.1-2.2兆帕。一種適應(yīng)高溫環(huán)境的壓電材料，其特征在于由上述方法制備得到?？朔爽F(xiàn)有壓電陶瓷的高溫穩(wěn)定性差的缺陷。目前，雖然在一定程度上，可以通過壓電陶瓷的摻雜和納米結(jié)構(gòu)化，提高壓電陶瓷的耐高溫性。但是這并不是長久的解決之道。只有通過重新設(shè)計材料結(jié)構(gòu)，使用新的元素，才能從根本上解決問題。眾所周知，石英是常用的壓電材料，而且石英具有高溫穩(wěn)定的特性。而且價格便宜，制備相對簡單。我們在sio2為模板的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計材料。本發(fā)明提出一種適應(yīng)高溫環(huán)境的壓電材料及制備方法，其特征是具有l(wèi)igesio5的組合式，高居里溫度在500-600℃，而且有較高的靈敏度。本發(fā)明還提出該材料的制備方法，首先將li、ge原料在高能球磨中機械合金化，然后與有機溶劑混合預(yù)制成漿體，與二氧化硅凝膠共混分散，經(jīng)過壓片、燒結(jié)得到高居里溫度壓電材料ligesio5，制備方法簡單，成本低廉，壓電信號穩(wěn)定，材料的環(huán)境穩(wěn)定性好，居里轉(zhuǎn)變溫度高。將本發(fā)明制備的適應(yīng)高溫環(huán)境的壓電材料與目前僅有的壓電材料相比，在產(chǎn)品耐高溫性、靈敏度、環(huán)境穩(wěn)定性、成本、投入等方面具有明顯優(yōu)勢，如表1所示。表1：性能指標(biāo)產(chǎn)品靈敏度耐高溫性環(huán)境穩(wěn)定性成本本發(fā)明壓電系數(shù)d33為50pc/n500-600℃穩(wěn)定低傳統(tǒng)壓電復(fù)合材料壓電系數(shù)d33為20pc/n200-300℃不穩(wěn)定高本發(fā)明一種適應(yīng)高溫環(huán)境的壓電材料及制備方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其突出的特點和優(yōu)異的效果在于：1、本發(fā)明提出的壓電材料是具有l(wèi)igesio5的組合式，高居里溫度在500-600℃，而且有較高的靈敏度。2、本發(fā)明還提出該材料的制備方法，采用高能球磨先機械合金化可以使lige合金內(nèi)部相互擴散，形成均勻的合金，能耗降低，適應(yīng)于節(jié)能環(huán)保型生產(chǎn)。3、本發(fā)明制備方法簡單，成本低廉，壓電信號穩(wěn)定，材料的環(huán)境穩(wěn)定性好。具體實施方式以下通過具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明的范圍僅限于以下的實例。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下,根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識和慣用手段做出的各種替換或變更,均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。實施例1（1）將40重量份的li顆粒和60重量份的ge顆粒混合，li顆粒和ge顆粒的粒徑為1mm，在100pa氬氣或氮氣保護(hù)氣氛環(huán)境的高能球磨機中使用氧化鋁球，球料比為30:1，球磨機轉(zhuǎn)速為400r/min，機械合金化10min，得到lige合金粉末；（2）將所述lige合金粉末與四氯化碳按1:1比例攪拌混合，得到均勻的lige合金懸浮液，再與二氧化硅溶膠混合，所述lige合金懸浮液與所述二氧化硅溶膠的比例為1:1，采用10r/min攪拌均勻，得到前驅(qū)溶膠；（3）將前驅(qū)溶膠經(jīng)過壓片成型，壓片成型的壓力為0.1mpa，600℃燒結(jié)得到高居里溫度壓電材料ligesio5。實施例2（1）將45重量份的li顆粒和55重量份的ge顆?；旌希琹i顆粒和ge顆粒的粒徑為1.5mm，在500pa氮氣保護(hù)氣氛環(huán)境的高能球磨機中使用氧化鋁球，球料比為30:1，球磨機轉(zhuǎn)速為400r/min，機械合金化12min，得到lige合金粉末；（2）將所述lige合金粉末與苯按1：1.5比例攪拌混合，得到均勻的lige合金懸浮液，再與二氧化硅溶膠混合，所述lige合金懸浮液與所述二氧化硅溶膠的比例為1:1，采用15r/min攪拌均勻，得到前驅(qū)溶膠；（3）將前驅(qū)溶膠經(jīng)過壓片成型，壓片成型的壓力為0.5mpa，620℃燒結(jié)得到高居里溫度壓電材料ligesio5。實施例3（1）將50重量份的li顆粒和50重量份的ge顆?；旌?，li顆粒和ge顆粒的粒徑為1.8mm，在800pa氬氣保護(hù)氣氛環(huán)境的高能球磨機中使用氧化鋁球，球料比為30:1，球磨機轉(zhuǎn)速為400r/min，機械合金化18min，得到lige合金粉末；（2）將所述lige合金粉末與二甲基亞砜按1：2比例攪拌混合，得到均勻的lige合金懸浮液，再與二氧化硅溶膠混合，所述lige合金懸浮液與所述二氧化硅溶膠的比例為1:1，采用18r/min攪拌均勻，得到前驅(qū)溶膠；（3）將前驅(qū)溶膠經(jīng)過壓片成型，壓片成型的壓力為1.5mpa，750℃燒結(jié)得到高居里溫度壓電材料ligesio5。實施例4（1）將55重量份的li顆粒和45重量份的ge顆?；旌希琹i顆粒和ge顆粒的粒徑為2.2mm，在2kpa氬氣或氮氣保護(hù)氣氛環(huán)境的高能球磨機中使用氧化鋁球，球料比為30:1，球磨機轉(zhuǎn)速為400r/min，機械合金化20min，得到lige合金粉末；（2）將所述lige合金粉末與四氫呋喃按1：3比例攪拌混合，得到均勻的lige合金懸浮液，再與二氧化硅溶膠混合，所述lige合金懸浮液與所述二氧化硅溶膠的比例為1:1，采用20r/min攪拌均勻，得到前驅(qū)溶膠；（3）將前驅(qū)溶膠經(jīng)過壓片成型，壓片成型的壓力為2.1mpa，800℃燒結(jié)得到高居里溫度壓電材料ligesio5。實施例5（1）將60重量份的li顆粒和40重量份的ge顆?；旌希琹i顆粒和ge顆粒的粒徑為3mm，在10kpa氬氣或氮氣保護(hù)氣氛環(huán)境的高能球磨機中使用氧化鋁球，球料比為30:1，球磨機轉(zhuǎn)速為400r/min，機械合金化25min，得到lige合金粉末；（2）將所述lige合金粉末與甲醇按1:5比例攪拌混合，得到均勻的lige合金懸浮液，再與二氧化硅溶膠混合，所述lige合金懸浮液與所述二氧化硅溶膠的比例為1:1，采用20r/min攪拌均勻，得到前驅(qū)溶膠；（3）將前驅(qū)溶膠經(jīng)過壓片成型，壓片成型的壓力為2.2mpa，900℃燒結(jié)得到高居里溫度壓電材料ligesio5。當(dāng)前第1頁12