一种钪掺杂铁酸铋压电陶瓷材料及其制备方法[0002]压电效应的机理是:具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时，对应端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。利用压电材料的这些特性可实现机械振动(声波)和交流电的互相转换。因而压电材料在电子科学与技术中的应用极为广泛，已经成为国防工业、民用工业以及日常生活中的重要功能材料，可用于传感器元件中，例如地震传感器，力、速度测量元件以及电声传感器等ο[0003]锆钛酸铅(Pb (ZrxTih)O3^为0_1)陶瓷具有很好的压电性能，但其居里温度一般小于400°C，在高温领域的应用受到限制。钛酸铅(PbTiO3)陶瓷的居里温度约为490°C，且压电和介电性能均优异，但存在烧结困难、矫顽场大和难极化等缺点。以上两类压电陶瓷中的铅元素会造成环境污染。铁酸铋(BiFeO3)陶瓷具有较好的压电性，且镧、镝或锰等掺杂的铁酸铋已有报道，但是通常在200°C以上时，其电阻率大幅下降，造成压电性变差，影响其高温应用。
[0004]本发明的目的是提供一种可在高温环境下使用的压电陶瓷材料及其制备方法。利用钪掺杂，可获得具有高电阻率、压电性能良好和高居里温度的钪掺杂铁酸铋压电陶瓷材料。[0005]实现本发明目的的技术方案是:一种钪掺杂铁酸铋材料，其陶瓷材料为压电体，分子式为 BihScxFeO3，其中 X 为 0.01-0.8。[0006]所述的陶瓷材料厚度为0.l-3mm,居里温度为400-800 °C，压电常数d33为50-200pC/N,剩余电极化强度为10-40 μ C/cm2，在25_300°C温度范围内，电阻率随着温度升高而减小，电阻率在IO5-1O11 Ω.m内变化。[0007]25°C 时电阻率为 IO8-1O11 Ω.ι?，150°C 时电阻率为 IO6-1OiqQ.ι?，300°C 时电阻率为IO5-1O9 Ω.m。
[0008]一种钪掺杂铁酸铋压电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤:
(1)原料的配比与压片成型:以Bi203、Fe2O3和Sc2O3为原料，按化合物BihScxFeO3的各元素化学计量比称量氧化物，其中，化合物中X为0.01-0.8，将称好的氧化物放入球磨罐中，加入酒精后球磨，将球磨好的料烘干，一定的压力下将粉末压制成陶瓷片；
(2)将陶瓷放入加热炉中烧结后冷却至室温。
[0009]步骤(1)中所述的球料比为3:1，所述的球磨时间为5-12小时，所述的压片压力为l-20MPa。
[0010]步骤(2)中，所述的烧结温度为800_950°C，烧结时间为0.1-3小时。
[0011]本发明成功地采用按化学计量比配比原料和烧结的方式，将钪元素掺杂到铁酸铋的铋位，获得成分有别于其他现有压电材料、居里温度高的新型陶瓷材料。本发明提供的钪掺杂铁酸铋压电陶瓷材料，其高居里温度和压电常数稳定特性，可广泛用于换能器、驱动器和传感器等领域。



[0012]图1为Bia99ScatllFeO3陶瓷的X射线衍射图谱。
[0013]图2为Bia9ScaiFeO3陶瓷的X射线衍射图谱。
[0014]图3为Bia8Sca2FeO3陶瓷的X射线衍射图谱。
[0015]图4为Bia2Sca8FeO3陶瓷的X射线衍射图谱。

[0016]实例1:
选取 x=0.01，制备 0.1mm 厚的 Bia99ScatllFeO3 陶瓷:
(1)原料的配比与压片成型:以Bi203、Fe203和Sc2O3为原料，按化合物Bia99ScatllFeO3的各元素化学计量比称量氧化物，将称好的氧化物放入球磨罐中，按球料比3:1加入球磨珠，加入酒精后球磨12小时，将 球磨好的料烘干，在IMPa的压力下将粉末压制成型；
(2)将陶瓷放入800°C加热炉中烧结0.1小时后冷却至室温；
(3)对所制备Bia99ScatllFeO3陶瓷进行X射线衍射测试。X射线衍射图谱如图1所示，说明无杂相存在。
[0017](4)采用阻抗分析仪，测得陶瓷的居里温度为800°C。采用压电常数测量仪测得陶瓷的压电常数d33为50pC/N。采用铁电测试仪，测得陶瓷的剩余电极化强度为40μ C/cm2。采用四探针测试仪，测得陶瓷电阻率在25-300°C温度范围内，随着温度升高而减小，陶瓷25°C时电阻率为IO8 Ω.m，150°C时电阻率为IO6 Ω.m，300°C时电阻率为IO5 Ω.m。
[0018]实例2:
选取x=0.1，制备Imm厚的Bia9ScaiFeO3陶瓷:
(1)原料的配比与压片成型:以Bi203、Fe2O3和Sc2O3为原料，按化合物Bia9ScaiFeO3的各元素化学计量比称量氧化物，将称好的氧化物放入球磨罐中，按球料比3:1加入球磨珠，加入酒精后球磨8小时，将球磨好的料烘干，在IOMPa的压力下将粉末压制成型；
(2)将陶瓷放入850°C加热炉中烧结0.5小时后冷却至室温；
(3)对所制备Bia9Sca抑03陶瓷进行X射线衍射测试。X射线衍射图谱如图2所示，说明无杂相存在。
[0019](4)采用阻抗分析仪，测得陶瓷的居里温度为700°C。采用压电常数测量仪测得陶瓷的压电常数d33为80pC/N。采用铁电测试仪，测得陶瓷的剩余电极化强度为30μ C/cm2。采用四探针测试仪，测得陶瓷电阻率在25-300°C温度范围内，随着温度升高而减小，陶瓷25°C时电阻率为7Χ108Ω.m，150°C时电阻率为IO7 Ω.m，300°C时电阻率为IO6 Ω.m。
[0020]实例3:选取x=0.2，制备2mm厚的Bia8Sca2FeO3陶瓷:
(1)原料的配比与压片成型:以Bi203、Fe2O3和Sc2O3为原料，按化合物Bia8Sca2FeO3的各元素化学计量比称量氧化物，将称好的氧化物放入球磨罐中，按球料比3:1加入球磨珠，加入酒精后球磨10小时，将球磨好的料烘干，在15MPa的压力下将粉末压制成型；
(2)将陶瓷放入900°C加热炉中烧结I小时后冷却至室温；
(3)对所制备Bia8Sca2FeO3陶瓷进行X射线衍射测试。X射线衍射图谱如图3所示，说明无杂相存在。
[0021](4)采用阻抗分析仪，测得陶瓷的居里温度为600°C。采用压电常数测量仪测得陶瓷的压电常数d33为150pC/N。采用铁电测试仪，测得陶瓷的剩余电极化强度为20μ C/cm2。采用四探针测试仪，测得陶瓷电阻率在25-300°C温度范围内，随着温度升高而减小，陶瓷25°C时电阻率为IO9 Ω.m，150°C时电阻率为6Χ108Ω.m，300°C时电阻率为IO8 Ω.m。
[0022]实例4:
选取x=0.8，制备3mm厚的Bia2Sca8FeO3陶瓷:
(1)原料的配比与压片成型:以Bi203、Fe2O3和Sc2O3为原料，按化合物Bia2Sca8FeO3的各元素化学计量比称量氧化物，将称好的氧化物放入球磨罐中，按球料比3:1加入球磨珠，加入酒精后球磨5小时，将球磨好的料烘干，在20MPa的压力下将粉末压制成型；
(2)将陶瓷放入950°C加热炉中烧结3小时后冷却至室温；
(3)对所制备Bia2Sca8FeO3陶瓷进行X射线衍射测试。X射线衍射图谱如图4所示，说明无杂相存在。
[0023](4)采用阻抗分析仪，测得陶瓷的居里温度为400°C。采用压电常数测量仪测得陶瓷的压电常数d33为200pC/N。采用铁电测试仪，测得陶瓷的剩余电极化强度为lOyC/cm2。采用四探针测试仪，测得陶瓷电阻率在25-300°C温度范围内，随着温度升高而减小，陶瓷25°C时电阻率为IO11 Ω.m，150°C时电阻率为101° Ω.m，300°C时电阻率为IO9 Ω.m。
[0024]对比例:
制备0.1mm厚的BiFeO3陶瓷:
(1)原料的配比与压片成型:以Bi2O3和Fe2O3为原料，按化合物BiFeO3的各元素化学计量比称量氧化物，将称好的氧化物放入球磨罐中，按球料比3:1加入球磨珠，加入酒精后球磨12小时，将球磨好的料烘干，在IMPa的压力下将粉末压制成型；
(2)将陶瓷放入800°C加热炉中烧结0.1小时后冷却至室温；
(3)采用阻抗分析仪，测得陶瓷的居里温度为820°C。采用压电常数测量仪测得陶瓷的压电常数d33为38pC/N。采用铁电测试仪，测得陶瓷的剩余电极化强度为35μ C/cm2。采用四探针测试仪，测得陶瓷25°C时电阻率为107Ω.πι，150τ:时电阻率为105Ω.πι，300τ:时电阻率为104Ω.πι。300°C时材料的电阻率已经偏小，导致该温度下材料的铁电性能不佳。
[0025]总之，相比于BiFeO3陶瓷，Bi1^xScxFeO3 (x为0.01-0.8)陶瓷不仅在25°C具有大电阻率，而且在150°C和300°C高温时均具有BiFeO3陶瓷所不具备的高电阻率，因而能保持良好的压电性，可以在室温至300°C稳定使用。