一種用于高溫加速度計的自然極性陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于高溫加速度計的自然極性陶瓷及其制備方法，屬于功能陶瓷 應用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 加速度計是一種將運動方向上的加速度轉(zhuǎn)變成可用于測量、監(jiān)視和控制的電信號 的傳感器或敏感器件。與其他加速度計相比，壓電式加速度計由于其體積小、重量輕、靈敏 度高、固有頻率高等優(yōu)點被廣泛的應用。現(xiàn)階段，壓電加速度計主要使用的壓電材料有石英 晶體和壓電陶瓷（如錯鐵酸鉛或者偏魄酸鉛）。
[0003] 隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，航空、航天發(fā)動機、石油探測、導彈制導、冶金系統(tǒng)W及 火電發(fā)動機等檢測系統(tǒng)都少不了高溫加速度計的應用。然而，可在高溫（〉50(TC)條件下能 夠性能優(yōu)良的壓電材料非常少。長期W來，高溫加速度計中所使用的壓電材料主要有單晶 電氣石或單晶娃酸嫁銅。但是，壓電單晶材料工藝復雜，成本太高，該限制了高溫壓電式加 速度計的使用和推廣。因此開發(fā)高居里溫度，壓電性能良好，具有較高抗溫度老化特性并且 制作工藝簡單的壓電材料成為發(fā)展高性能、高可靠性、寬溫度范圍的壓電加速度計成為重 要的研究方向。
[0004] 傳統(tǒng)的壓電陶瓷是鐵電多晶體，其壓電性起源于陶瓷中鐵電疇的有序排列，超過 居里溫度后壓電性消失，在使用上受到了居里溫度的限制。"餓基極性陶瓷中非鐵電性起源 壓電效應研究"王力海、趙明磊等和"鋼餓鐵體系自然極性陶瓷的制備及物性研究"刷偉杰、 趙明磊等公開了將Nau.sBiu.sTiOs、SrTi〇3、化。.5814.5化〇15分別與Bii2Ti〇2廣合制得的復相 多晶陶瓷，未經(jīng)極化就具有較強壓電效應（稱為自然極性陶瓷），并且壓電諧振信號在高溫 (700°CW上）仍可明顯觀察，該種壓電性的起源與鐵電相的有無無關(guān)，擺脫了居里溫度對 使用上限溫度的限制，具有開發(fā)為高溫材料的潛力。但是該種自然極性陶瓷壓電常數(shù)的大 小和符號都不均勻，壓電電壓常數(shù)不夠大，很難實際應用于加速度計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于高溫加速度計的自然極性陶瓷，該自 然極性陶瓷壓電應變常數(shù)及壓電電壓系數(shù)高、均勻，機械品質(zhì)因數(shù)較高，介電損耗低，熱釋 電系數(shù)小，在常溫及較高溫度下具有很好的壓電性能，750°CW下不會出現(xiàn)退極化現(xiàn)象，同 時滿足居里溫度和綜合壓電性能的雙重性能，適用于高溫加速度計，且制備工藝簡單、成本 低。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] 一種用于高溫加速度計的自然極性陶瓷，是將化Ti〇3和Bi 12了1〇2。加粘合劑混合后 于溫度820~920°C下進行溫差燒結(jié)lOmin~化制得，組成通式為xCaTi〇3-Bii2Ti化。，其中 X= 0. 1 ~3。
[000引本發(fā)明優(yōu)選的，所述的溫差燒結(jié)為燒結(jié)時樣品底部溫度向表面溫度逐漸遞減，底 部溫度與表面溫度溫差為1~10C,優(yōu)選的，組成通式xCaTiOg-BiigTi化0,其中X= 0. 1~2。
[0009] 本發(fā)明還提供一種用于高溫加速度計的自然極性陶瓷的制備方法。
[0010] 上述用于高溫加速度計的自然極性陶瓷的制備方法，包括步驟如下：
[0011] (1)將化C〇3、Ti〇2按1:1的摩爾比進行混合，W無水己醇為介質(zhì)球磨10~12h，然 后烘干、研磨，壓成圓形巧體，于溫度1000~1200°c下預燒1~化，制得化Ti〇3;
[001引似將Bi203、Ti02按6:1的摩爾比進行混合，W無水己醇為介質(zhì)球磨10~12h，然 后烘干、研磨，壓成圓形巧體，于溫度600~800°C下預燒1~化，制得Bii2Ti02。；
[001引 做分別將步驟（1)制得的化Ti03、步驟似制得的Bi^TiOw研磨、粉碎，粉碎后 按照化Ti03;BicTi02。摩爾比為（0.1~扣；1進行混合，加入無水己醇進行二次球磨，球磨 時間10~12h，得球磨物料；
[0014] (4)將球磨物料烘干，加入粘合劑進行造粒，過篩后壓制成圓片，然后于600~ 700°C下保溫0. 5~比進行排塑，得排塑圓片；
[0015] (5)將排塑圓片于溫度820~920°C下進行溫差燒結(jié)lOmin~3h，自然冷卻到室 溫，得燒結(jié)后中間產(chǎn)品；
[0016] (6)將燒結(jié)后中間產(chǎn)品表面打磨、清洗，在上下表面涂覆銀漿后置于溫度550~ 600°C保溫0. 5~化，自然冷卻至室溫，制得用于高溫加速度計的自然極性陶瓷。
[0017] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（1)、步驟（2)中預燒升溫速率為3~6°C/min,采用氧化侶相 蝸進行燒結(jié)。
[001引本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（3)中，CaTi03;Bi12了102。的摩爾比為（0. 5~2) ;1，最為優(yōu)選，CaTi03;BicTi020的摩爾比為 0. 5:1。
[0019] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（4)中粘合劑為質(zhì)量濃度3~6wt%的聚己締醇（PVA)溶液， 聚己締醇（PVA)溶液的用量為烘干后球磨物料重量的6~8%。該用量的粘合劑可W使混 合粉料充分粘合。
[0020] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（5)排塑圓片燒結(jié)溫度為850~870°C，燒結(jié)時間lOmin~ 0. 5h，升溫速度為2~5°C/min,優(yōu)選的，排塑圓片燒結(jié)溫度為860°C，燒結(jié)時間0.化。
[0021] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟巧）中溫差燒結(jié)為排塑圓片采用底部加熱方式進行燒結(jié)，燒 結(jié)時排塑圓片底部溫度向表面溫度逐漸遞減，底部溫度與表面溫度溫差為1~10°c，優(yōu)選 的，排塑圓片底部溫度與表面溫度溫差為6~10°C，最為優(yōu)選，排塑圓片底部溫度與表面溫 度溫差為10 °c。
[0022] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟巧）中溫差燒結(jié)采用溫差燒結(jié)爐進行，所述的溫差燒結(jié)爐包 括爐殼和爐膛，在爐膛的底部設(shè)置有加熱裝置，所述的加熱裝置包括加熱板和電阻絲，加熱 板橫向設(shè)置于爐膛底部，電阻絲位于加熱板的下方，加熱板上設(shè)置有氧化侶單晶襯底，爐膛 的四周設(shè)置有保溫層，內(nèi)部設(shè)置有高度不同的熱電偶。該高度不同的熱電偶可W用來檢測 樣品表面及底部溫度。
[0023] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（6)銀漿涂覆厚度為0. 01~0. 03mm。
[0024] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（1)、步驟（2)、步驟（3)球磨為采用行星式球磨機進行球磨 時間10~12h，磨球為氧化錯球，球磨罐為巧龍罐，無水己醇的用量為被球磨物料總重量的 60% -80%。
[0025]本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（1)、步驟（2)、步驟（4)的烘干溫度為100~110。時間1~ 3h。步驟（1)、步驟（2)、步驟（4)中的烘干主要是去除球磨中添加的無水己醇。
[0026]本發(fā)明步驟（1)、步驟（2)中圓形巧體的直徑為20-40mm，厚度為l-5mm，步驟（4) 中圓片的直徑為10-20mm，厚度為l-3mm。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點為：
[002引 1、本發(fā)明使用溫差燒結(jié)，溫度梯度燒結(jié)誘導取向，得到極化大小和方向一致的樣 品，并且進一步提高其壓電性能。用CaTi03代替化。.sBi。.sTi03、SrTi03、Na。.sBi4.5化015,提高Bii2Ti02。含量降低材料的介電常數(shù)，提高壓電電壓常數(shù)。
[0029] 2、本發(fā)明制得的陶瓷為不需要極化就具有極性的復合新型壓電陶瓷。該陶 瓷具有較高的壓電應變常數(shù)（24pC/N)、較小的介電常數(shù)（58)、較大的壓電電壓常數(shù) g33(47Xl(T3Vm/N)、較低的介電損耗（1% )、較小的熱釋電系數(shù)（l(r8數(shù)量級）。與已有的高 溫加速度計材料使用的單晶電氣石或娃酸嫁銅相比，該新體系具有制作工藝簡單，適用溫 度范圍廣，是一種很有應用前景的高溫加速度計用壓電材料。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明溫差燒結(jié)爐的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 其中，1、熱電偶，2、爐膛，3、加熱板，4、電阻絲，5、氧化侶單晶襯底，6、保溫層，7、爐 殼，8、被燒結(jié)樣品。
[0032] 圖2為本發(fā)明實施例1的陶瓷樣品在550°C下的壓電諧振信號。
[003引圖3為本發(fā)明實施例1步驟（1)、步驟似預燒制得CaTi03和Bii2Ti020的X射線 衍射圖。
[0034] 圖4為本發(fā)明實施例1的陶瓷樣品在100曲Z下的介電溫譜圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面通過具體實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明不限于該些實施 例。
[0036] 實施例中的原料來源；
[0037] 化C〇3購自上海國藥集團，純度為99%。
[00測 Ti02購自仙桃中星電子材料公司，純度為99. 8%。
[0039]Bi2〇3購自四川蜀都納米材料公司，純度為99. 8 %。
[0040] 實施例1 ;
[0041] 一種用于高溫加速度計的自然極性陶瓷，組成通式為0.5CaTi〇3-Bii2Ti〇2。，
[0042] 制備方法，步驟如下：