La₂Ti₂O₇或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應(yīng)用及其制備的傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了La2Ti2O7或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應(yīng)用及其制備的傳感器，屬于高溫壓電傳感器領(lǐng)域，目的在于解決現(xiàn)有的高溫壓電傳感器大多以鋯鈦酸鉛為基材，其中的鉛會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染，且使用溫度在300℃以?xún)?nèi)，而以鈦酸鉍鈉體系鐵電材料為基材的高溫壓電傳感器的使用溫度也僅僅為300℃左右，具有一定限制的問(wèn)題。本發(fā)明首次將La2Ti2O7鐵電陶瓷以及其固溶體材料這一類(lèi)高穩(wěn)定性鐵電材料用作高溫壓電傳感器的基材，且本發(fā)明制備的傳感器的使用范圍為0℃到350℃，極大的拓展了高溫壓電傳感器的使用溫度，有效增加了其應(yīng)用范圍。同時(shí)，本發(fā)明的La2Ti2O7及其固溶體材料中，不含有鉛，因而具有對(duì)環(huán)境友好的特點(diǎn)，能有效避免對(duì)環(huán)境的污染。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
La2T i 2〇7或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應(yīng)用及其制 備的傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及高溫壓電傳感器領(lǐng)域，具體為L(zhǎng)a2Ti207或其固溶體材料在高溫壓電傳 感器中的應(yīng)用及其制備的傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓電傳感器作為傳感器領(lǐng)域的最重要的分支之一，其具有特有的壓電效應(yīng)。壓電 效應(yīng)包括正壓電效應(yīng)、反壓電效應(yīng);其中，正壓電效應(yīng)是指材料在壓力作用下，表面產(chǎn)生電 荷的現(xiàn)象;反壓電效應(yīng)是指對(duì)材料施加外電壓，材料形狀發(fā)生變化的現(xiàn)象。圖1中給出了正 壓電效應(yīng)的工作原理示意圖，圖2中給出了反壓電效應(yīng)的工作原理示意圖。壓電傳感器能將 機(jī)械信號(hào)和電信號(hào)相互轉(zhuǎn)換，因此，其在監(jiān)測(cè)和控制領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。
[0003] 在壓力傳感器中，由于高溫壓力傳感器具備優(yōu)良的高溫工作能力，因而一直受到 高度重視，是傳感器研究的重要領(lǐng)域之一，也是各國(guó)政府努力掌握的高科技技術(shù)之一。在石 油、化工、采礦、風(fēng)力發(fā)電、核電站、冶金、汽車(chē)、航空航天、工業(yè)過(guò)程控制和兵器工業(yè)等領(lǐng)域， 高溫壓力傳感器都有著廣闊的應(yīng)用前景，例如：高溫壓力傳感器可用于高溫油井內(nèi)的壓力 測(cè)量，各種發(fā)動(dòng)機(jī)腔體內(nèi)的壓力測(cè)量，宇宙飛船和航天飛行器的姿態(tài)控制，高速飛行器或遠(yuǎn) 程超高速導(dǎo)彈的飛行控制，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等耐熱腔體和表面各部分的壓力 測(cè)量。
[0004] 目前，工業(yè)上使用的高溫壓電傳感器大多采用鋯鈦酸鉛(PZT)為基材。而PZT中的 鉛會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染，且鋯鈦酸鉛鐵電材料的使用溫度大都在300°C以?xún)?nèi)。鈦酸鉍鈉體 系的鐵電材料也可用作高溫傳感材料，但其最高使用溫度也僅僅為300°C左右。
[0005] 為此，迫切需要一種新的材料，以滿(mǎn)足高溫壓電傳感器的應(yīng)用需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的發(fā)明目的在于:針對(duì)現(xiàn)有的高溫壓電傳感器大多以鋯鈦酸鉛為基材，其 中的鉛會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染，且使用溫度在300°C以?xún)?nèi)，而以鈦酸鉍鈉體系鐵電材料為基材的高 溫壓電傳感器的使用溫度也僅僅為300°C左右，具有一定限制的問(wèn)題，提供一種La 2Ti207或 其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應(yīng)用及其制備的傳感器。本發(fā)明首次將La 2Ti207鐵電 陶瓷以及其固溶體材料(La2- XAXT i 2〇7，A = Ce，Pr，Nd)這一類(lèi)高穩(wěn)定性鐵電材料用作高溫壓 電傳感器的基材，且本發(fā)明制備的傳感器的使用范圍為〇°C到350°C，極大的拓展了高溫壓 電傳感器的使用溫度，有效增加了其應(yīng)用范圍。同時(shí)，本發(fā)明的La 2Ti207及其固溶體材料中， 不含有鉛，因而具有對(duì)環(huán)境友好的特點(diǎn)，能有效避免對(duì)環(huán)境的污染。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] La2Ti2〇7或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應(yīng)用，所述La2Ti 2〇7固溶體材料為 La2-xAxTi2〇7,所述A為Ce、Pr、Nd中的一種或多種，所述x的范圍為0~0.35。
[0009] 所述x的范圍為0.001~0.35。
[0010] 所述X的范圍為0.05~0.35。
[0011] 所述x的范圍為0.10~0.33。
[0012] 采用La2Ti207或其固溶體材料制備的傳感器，包括基體、設(shè)置在基體兩側(cè)的電極， 所述基體為L(zhǎng)a 2Ti2〇7或La2Ti2〇7固溶體，所述La2Ti 2〇7固溶體材料為L(zhǎng)a2-xAxTi2〇7，A為Ce、Pr、 Nd中的一種或多種，所述x的范圍為0~0.35。
[0013] 所述x的范圍為0.001~0.35。
[0014] 所述電極通過(guò)燒結(jié)方式與基體連接為一體。
[0015] 所述傳感器的使用溫度范圍為0°C到350°C。
[0016]該傳感器采用包括如下步驟的方法制備而成：
[0017] ⑴制備基體
[0018] 將La2Ti2〇7或其固溶體材料作為基體，所述La2Ti2〇7固溶體材料為L(zhǎng)a 2-xAxTi2〇7，A為 Ce、Pr、Nd中的一種或多種，所述x的范圍為0~0.35;
[0019] ⑵電極燒結(jié)
[0020] 在步驟（1)的基體兩面涂銀電極，然后燒結(jié)，使銀電極與基體緊密連接，燒結(jié)完成 后，降溫后取出樣品，即可。
[0021] 所述步驟(1)中，采用等離子體電火花燒結(jié)發(fā)制備晶?？棙?gòu)化的La2Ti207鐵電陶瓷 或者其固溶體陶瓷，所述La 2Ti2〇7固溶體陶瓷為L(zhǎng)a2-xAxTi 2〇7,將La2Ti2〇7或其固溶體材料作 為基體，所述基體的相對(duì)密度在98 %以上，所述晶粒定向程度在80 %以上。
[0022] 所述步驟(2)中，將步驟（1)的基體沿織構(gòu)垂直方向切片，樣品的厚度范圍為0.1-0.3mm，然后在基體的兩面涂銀電極，再在500-600°C下燒結(jié)0.5~5h，至銀電極與基體緊密 連接，降溫到室溫后取出樣品，即可。
[0023] 針對(duì)前述問(wèn)題，本發(fā)明提供La2Ti207或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應(yīng)用 及其制備的傳感器。
【申請(qǐng)人】通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，La 2Ti207這種具有類(lèi)鈣鈦礦層狀結(jié)構(gòu)鐵電材料具 有很高的居里相變溫度(T。~1460°C )，其材料結(jié)構(gòu)有著很好的溫度穩(wěn)定性。在研究過(guò)程中，
【申請(qǐng)人】驚奇地發(fā)現(xiàn)了 La2Ti2〇7及其固溶體材料的高溫壓電性能。為此，
【申請(qǐng)人】得到了本發(fā)明 的技術(shù)方案。
[0024] 為了驗(yàn)證本發(fā)明方案的可行性，
【申請(qǐng)人】設(shè)計(jì)了如下的實(shí)驗(yàn)步驟。
[0025] (1)制備基體
[0026] 利用等離子體電火花燒結(jié)技術(shù)或其他方法制備晶?？棙?gòu)化的La2Ti207鐵電陶瓷或 者其固溶體陶瓷(其分子式為L(zhǎng)a 2-xAxTi2〇7，A為&、？^制;0^^彡0.35)。陶瓷的相對(duì)密度大 于98%，晶粒定向程度利用1^^861'；[1^定向因子計(jì)算在80%以上。將制備的]^121'12〇7鐵電陶 瓷或者其固溶體陶瓷作為基體。
[0027] (2)電極燒實(shí)
[0028] 把步驟（1)燒結(jié)好的陶瓷沿織構(gòu)垂直方向切片，樣品厚度在0.1 -0.3mm范圍內(nèi)，樣 品尺寸為任意方便涂電極尺寸，樣品兩面涂銀電極并經(jīng)高溫(燒結(jié)溫度500-600°C，燒結(jié)時(shí) 間lh)燒實(shí)，降至室溫，取出樣品。
[0029] (3)陶瓷的極化儲(chǔ)能
[0030]在150-200°C條件下，把步驟(2)制備的樣品在外加直流高電場(chǎng)下極化lh，電場(chǎng)強(qiáng) 度為50-80kV/mm，使得鐵電陶瓷電疇翻轉(zhuǎn)極化(如圖3所示）。
[0031] (4)高溫壓電性能測(cè)試
[0032] 把極化好的陶瓷放入高溫箱內(nèi)，測(cè)試其高溫壓電性能:把極化好的陶瓷片放入高 溫壓電常數(shù)測(cè)試儀器對(duì)其壓電信號(hào)進(jìn)行測(cè)試(如圖4所示）。
[0033] 測(cè)試結(jié)果表明：La2Ti2〇7鐵電陶瓷以及其固溶體材料(La2- xAxTi2〇7，A = Ce，Pr，Nd;0 <x<0.35)的壓電常數(shù)能在350°C以下穩(wěn)定存在，結(jié)果證明其能夠作為壓電傳感器基材使 用。
[0034]綜上所述，本發(fā)明首先利用La2Ti2〇7鐵電陶瓷以及其固溶體(La2- xAxTi2〇7，A = Ce， Pr，Nd)這一類(lèi)高穩(wěn)定性鐵電材料作為高溫壓電傳感器基材，其在高溫下，具有良好的壓電 性能，實(shí)現(xiàn)了機(jī)-電信號(hào)轉(zhuǎn)換，使用范圍為〇°C~350°C。本發(fā)明能夠用作高溫器件（>300°C) 的傳感器基材，極大拓展高溫壓電傳感器的使用溫度，有效增加其應(yīng)用范圍，具有廣闊的應(yīng) 用前景。同時(shí)，本發(fā)明的La 2Ti2〇7及其固溶體材料中，不含有鉛，因而具有對(duì)環(huán)境友好的特 點(diǎn)，能有效避免對(duì)環(huán)境的污染。采用本發(fā)明制備的高溫壓電傳感器可廣泛應(yīng)用于石油、化 工、采礦、風(fēng)力發(fā)電、核電站、冶金、汽車(chē)、航空航天、工業(yè)過(guò)程控制和兵器工業(yè)等領(lǐng)域，具有 廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0035]本發(fā)明將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中：
[0036]圖1為正壓電效應(yīng)工作原理示意圖。
[0037]圖2為反壓電效應(yīng)工作原理示意圖 [0038]圖3為陶瓷極化示意圖。
[0039] 圖3中：1為陶瓷樣品，2為銀電極，3為直流高壓電源。
[0040] 圖4為樣品測(cè)試示意圖。
[0041] 圖4中：1為加熱爐，2為測(cè)試頂針與導(dǎo)線(xiàn)，3為測(cè)試樣品，4為壓電常數(shù)測(cè)試儀。
【具體實(shí)施方式】
[0042]本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的所有特征，或公開(kāi)的所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥 的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0043] 本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類(lèi)似目的的 替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只是一系列等效或類(lèi)似特征中的一個(gè)例子 而已。
[0044] 實(shí)施例lLa2Ti2〇7織構(gòu)鐵電陶瓷的高溫壓電應(yīng)用
[0045] 制備過(guò)程如下。
[0046] (1)利用等離子體電火花燒結(jié)技術(shù)制備晶粒織構(gòu)化的La2Ti207鐵電陶瓷。該陶瓷的 相對(duì)密度為99%，晶粒定向程度利用Lotgering定向因子計(jì)算為83%。
[0047] (2)把步驟（1)燒結(jié)好的陶瓷沿織構(gòu)垂直方向切片，切片厚度為0.2mm，尺寸為5 X 5_。在切片兩面涂銀電極，電極尺寸為4.8 X4.8mm。再在高溫600°C退火lh，降溫到室溫，取 出樣品。
[0048] (3)將步驟(2)制備的樣品在硅油中加熱到200°C，保溫15min。并在樣品的兩面加 55kV/mm電場(chǎng)，保持此條件1 h，使得鐵電陶瓷電疇翻轉(zhuǎn)極化。
[0049] (4)測(cè)試步驟(3)極化后的La2Ti207織構(gòu)鐵電陶瓷高溫壓電性能，測(cè)定結(jié)果如表1所 示。在350°C以?xún)?nèi)，其壓電常數(shù)為2.4pC/N，并且一直穩(wěn)定存在。
[0050] 表1實(shí)施例1的測(cè)定結(jié)果
[0052] 實(shí)施例2La2-xCexTi2〇7(x<0.2)織構(gòu)鐵電陶瓷的高溫壓電應(yīng)用 [0053] 制備過(guò)程如下。
[0054] (1)利用等離子體電火花燒結(jié)技術(shù)制備晶?？棙?gòu)化的La2-xCe xTi2〇7鐵電陶瓷。陶瓷 的相對(duì)密度為98%，晶粒定向程度利用Lotgering定向因子計(jì)算為81%。
[0055] (2)把步驟(1)燒結(jié)好的陶瓷沿織構(gòu)垂直方向切片，切片厚度為0.15_，尺寸為5 X 5_。在切片兩面涂銀電極，電極尺寸為4.8 X4.8mm。再在高溫600°C下退火lh，降溫到室溫， 取出樣品。
[0056] (3)將步驟(2)制備的樣品在硅油中加熱到150°C，保溫15min。并在樣品的兩面加 60kV/mm電場(chǎng)，保持此條件lh。
[0057] (4)測(cè)試步驟(3)極化后的La2-xCexTi 207織構(gòu)鐵電陶瓷高溫壓電性能，測(cè)定結(jié)果如 表2所示。在350 °C以?xún)?nèi)，其壓電常數(shù)為3.1 -3.3pC/N，并且一直穩(wěn)定存在。
[0058]表2實(shí)施例2的測(cè)定結(jié)果
[0060] 實(shí)施例3La2-xPrxTi2〇?(x<0.35)織構(gòu)鐵電陶瓷的高溫壓電應(yīng)用 [0061 ] 制備過(guò)程如下。
[0062] (1)利用等離子體電火花燒結(jié)技術(shù)制備晶?？棙?gòu)化的La2-xPr xTi207鐵電陶瓷。陶瓷 的相對(duì)密度為99%，晶粒定向程度利用Lotgering定向因子計(jì)算為80%。
[0063] (2)把步驟（1)燒結(jié)好的陶瓷沿織構(gòu)垂直方向切片，切片厚度為0.3mm，尺寸為4.5 X 4.5_。在切片兩面涂銀電極，電極尺寸為4.4X4.4mm。再在高溫600 °C下退火lh，降溫到 室溫，取出樣品。
[0064] (3)將步驟(2)制備的樣品在硅油中加熱到200°C，保溫15min。并在樣品的兩面加 58kV/mm電場(chǎng)，保持此條件lh。
[0065] (4)測(cè)試步驟(3)極化后的La2-xPrxTi 207織構(gòu)鐵電陶瓷高溫壓電性能，測(cè)定結(jié)果如 表3所示。在350°C以?xún)?nèi)，其壓電常數(shù)為2.9-3.4pC/N，并且一直穩(wěn)定存在。
[0066] 表3實(shí)施例3的測(cè)定結(jié)果
[0067]
[0068] 實(shí)施例4La2-xNdxTi2〇7(x<0.3)織構(gòu)鐵電陶瓷的高溫壓電應(yīng)用 [0069] 制備過(guò)程如下。
[0070] (1)利用等離子體電火花燒結(jié)技術(shù)制備晶?？棙?gòu)化的La2-xNdxTi 207鐵電陶瓷。陶瓷 的相對(duì)密度為98%，晶粒定向程度利用Lotgering定向因子計(jì)算為85%。
[0071 ] (2)把步驟(1)燒結(jié)好的陶瓷沿織構(gòu)垂直方向切片，切片厚度為0.25_，尺寸為4 X 4mm。在切片樣品兩面涂銀電極，電極尺寸為3.9 X3.9_。再在高溫600°C下退火lh，降溫到 室溫，取出樣品。
[0072] (3)將步驟(2)制備的樣品在硅油中加熱到200°C，保溫15min。并在樣品的兩面加 61kV/mm電場(chǎng)，保持此條件lh。
[0073] (4)測(cè)試步驟(3)極化后的La2-xNdxTi20 7織構(gòu)鐵電陶瓷高溫壓電性能，測(cè)定結(jié)果如 表4所示。在350 °C以?xún)?nèi)，其壓電常數(shù)為2.6-2.8pC/N，并且一直穩(wěn)定存在。
[0074] 表4實(shí)施例4的測(cè)定結(jié)果
[0077]本發(fā)明并不局限于前述的【具體實(shí)施方式】。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說(shuō)明書(shū)中披露的 新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過(guò)程的步驟或任何新的組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. La2Ti2O7或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應(yīng)用，其特征在于，所述La 2Ti2O7固 溶體材料為L(zhǎng)a2-xA xTi 2〇7，所述A為Ce、Pr、Nd中的一種或多種，所述X的范圍為0~0.35。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述La2Ti2O7或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應(yīng)用，其特征在 于，所述X的范圍為0.001~0.35。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述La2Ti2O7或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應(yīng)用，其特征在 于，所述X的范圍為0.05~0.35。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述La2Ti2O7或其固溶體材料在高溫壓電傳感器中的應(yīng)用，其特征在 于，所述X的范圍為〇. ΠΜ).33。5. 采用La2Ti2O7或其固溶體材料制備的傳感器，其特征在于，包括基體、設(shè)置在基體兩 側(cè)的電極，所述基體為L(zhǎng)a 2Ti2O7或La2Ti2O 7固溶體，所述La2Ti2O7固溶體材料為L(zhǎng)a2- XAXT i2〇7，A 為Ce、Pr、Nd中的一種或多種，所述x的范圍為0~0.35。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述傳感器，其特征在于，所述電極通過(guò)燒結(jié)方式與基體連接為一 體。7. 根據(jù)權(quán)利要求5~6任一項(xiàng)所述傳感器，其特征在于，所述傳感器的使用溫度范圍為0 。(:到350°C。8. 根據(jù)權(quán)利要求5~7任一項(xiàng)所述傳感器，其特征在于，該傳感器采用包括如下步驟的方 法制備而成： (1) 制備基體 將La2Ti2O7或其固溶體材料作為基體，所述La2Ti 2O7固溶體材料為L(zhǎng)a2-xAxTi 2〇7，A為Ce、 Pr、Nd中的一種或多種，所述X的范圍為0~0.35; (2) 電極燒結(jié) 在步驟(1)的基體兩面涂銀電極，然后燒結(jié)，使銀電極與基體緊密連接，燒結(jié)完成后，降 溫后取出樣品，即可。9. 根據(jù)權(quán)利要求5~8任一項(xiàng)所述傳感器，其特征在于，所述步驟（1)中，采用等離子體電 火花燒結(jié)發(fā)制備晶粒織構(gòu)化的La2Ti 2O7鐵電陶瓷或者其固溶體陶瓷，所述La2Ti2O 7固溶體陶 瓷為L(zhǎng)a2-xAxTi2〇7，將La 2Ti2O7或其固溶體材料作為基體，所述基體的相對(duì)密度在98%以上，所 述晶粒定向程度在80%以上。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述傳感器，其特征在于，所述步驟(2)中，將步驟（1)的基體沿織構(gòu) 垂直方向切片，樣品的厚度范圍為0.1-0.3 mm，然后在基體的兩面涂銀電極，再在500-600 °C下燒結(jié)0.5~5h，至銀電極與基體緊密連接，降溫到室溫后取出樣品，即可。
【文檔編號(hào)】C04B35/462GK105957958SQ201610286769
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月4日
【發(fā)明人】高志鵬, 楊佳, 劉藝, 韓旭, 谷偉, 謝慶海, 王海晏
【申請(qǐng)人】中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所