本發(fā)明屬于壓電材料，涉及一種高靈敏度的壓電陶瓷材料、傳感器及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、壓電傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應(yīng)制成的傳感器，壓電式傳感器具有高靈敏度、高分辨率、低噪音、高線性和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地測(cè)量各種物理量，例如壓力、溫度、力和扭矩等，因此壓電傳感器能用于許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

2、壓電式傳感器的核心組成為壓電材料，壓電材料的性能對(duì)傳感器的靈敏度以及檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性有直接影響。常見(jiàn)的壓電材料包括壓電陶瓷(如pzt或pzn-pt)、壓電晶體和壓電聚合物。其中，壓電陶瓷材料為無(wú)機(jī)壓電材料，是指用必要成份的原料進(jìn)行混合、成型、高溫?zé)Y(jié)，由粉粒之間的固相反應(yīng)和燒結(jié)過(guò)程而獲得的微細(xì)晶粒無(wú)規(guī)則集合而成的多晶體，具有很高的壓電響應(yīng)，壓電性強(qiáng)、介電常數(shù)高、可以加工成任意形狀，但機(jī)械品質(zhì)因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差，因而適合于大功率換能器和寬帶濾波器等應(yīng)用，例如公開(kāi)號(hào)為cn104310967b，名稱為一種耐高電壓的高穩(wěn)定性壓電陶瓷就屬于一種大功率壓電產(chǎn)品。

3、目前，用于水聽(tīng)器或超聲波探傷的壓電傳感器要求較高，這是因?yàn)樗?tīng)器或超聲波探傷的應(yīng)用環(huán)境中使用超聲波，超聲波是振動(dòng)頻率高于20khz的機(jī)械波，因此對(duì)壓電傳感器的要求尤為苛刻，不僅需要具有高介電常數(shù)、低機(jī)械品質(zhì)因數(shù)qm值和高壓電常數(shù)d33，而且要具有高靈敏度和高效能量轉(zhuǎn)換，其中，靈敏度是這些應(yīng)用的關(guān)鍵性能指標(biāo)，直接影響到信號(hào)的探測(cè)精度和傳感器的響應(yīng)效率；同時(shí)還要求壓電材料能夠兼顧寬頻帶特性和低損耗特性，以確保微弱聲學(xué)信號(hào)的可靠傳遞和檢測(cè)；此外，還需要壓電傳感器在復(fù)雜環(huán)境下保持良好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

4、然而，現(xiàn)有大功率壓電產(chǎn)品的壓電陶瓷材料由于介電常數(shù)小和壓電常數(shù)d33小，均會(huì)影響材料靈敏度，使得壓電陶瓷材料在靈敏度提升方面存在技術(shù)瓶頸；導(dǎo)致用于水聽(tīng)器或超聲波探傷的壓電材料大多只能依靠進(jìn)口材料，進(jìn)口材料的壓電性能雖然滿足超聲波對(duì)壓電材料的性能，但是進(jìn)口材料價(jià)格昂貴，成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有壓電陶瓷材料介電常數(shù)小、壓電常數(shù)d33小，會(huì)影響材料靈敏度的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高靈敏度的壓電陶瓷材料、傳感器及其制備方法和應(yīng)用。

2、本發(fā)明采用四氧化三鉛、碳酸鍶、二氧化鋯、二氧化鈦、碳酸鎂、五氧化二鈮、氧化鎳、氧化鋅、氧化鈰和碳酸鋰在一定的摩爾數(shù)下形成一種高靈敏度的壓電陶瓷材料，具有高介電常數(shù)、高壓電常數(shù)d33以及高靈敏度，作為壓電傳感器用于水聽(tīng)器或超聲波探傷中能提升靈敏度。

3、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

4、一種高靈敏度的壓電陶瓷材料，壓電陶瓷材料包括四氧化三鉛、碳酸鍶、二氧化鋯、二氧化鈦、碳酸鎂、五氧化二鈮、氧化鎳、氧化鋅、氧化鈰和碳酸鋰；壓電陶瓷材料的化學(xué)式為：

5、{(pb,sr)(zrxti1-x)}{(pb,sr)(mg0.3nb0.7)}{(pb,sr)(ni0.25nb0.75)}{(pb,sr)(zn0.2nb0.8)}ce0.1li0.5；x為摩爾系數(shù)。

6、進(jìn)一步限定，壓電陶瓷材料的介電常數(shù)達(dá)到6000以上，壓電常數(shù)達(dá)到850pc/n以上。

7、所述的高靈敏度的壓電陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟：

8、s1、原料準(zhǔn)備

9、按照壓電陶瓷材料的化學(xué)式中各個(gè)元素的摩爾數(shù)，稱取對(duì)應(yīng)的原料四氧化三鉛、碳酸鍶、二氧化鋯、二氧化鈦、碳酸鎂、五氧化二鈮、氧化鎳、氧化鋅、氧化鈰和碳酸鋰；

10、s2、球磨

11、對(duì)步驟s1的各個(gè)原料進(jìn)行球磨、烘干和預(yù)燒處理得到陶瓷漿料；

12、s3、造粒成型燒結(jié)

13、陶瓷漿料進(jìn)行造粒，得到粒徑為90目～100目的粉料，之后依次干壓成型、排膠和燒結(jié)，得到晶粒；

14、s4、熱處理

15、在溫度780℃～920℃下對(duì)晶粒進(jìn)行熱處理3h～4h，得到顆粒狀的壓電陶瓷材料。

16、所述步驟s2中，陶瓷漿料的具體過(guò)程為：

17、s2.1、步驟s1的各個(gè)原料混合，球磨3h～5h，烘干后過(guò)200目篩得一次磨料；

18、s2.2、步驟s2.1的一次磨料在溫度830℃～850℃下密閉煅燒1h～2h，得預(yù)燒料；

19、s2.3、將步驟s2.2的預(yù)燒料球磨3h～5h，烘干后過(guò)200目篩，得二次磨料；

20、s2.4、向步驟s2.3的二次磨料中加入1.5wt％聚丙烯醇、4.8wt％酒精、1.5wt％消泡劑和2wt％分散劑，球磨1h～2h，得陶瓷漿料。

21、所述步驟s3中，干壓成型的成型密度大于5g/cm3；排膠溫度為730℃～760℃，排膠時(shí)間為22h～25h；燒結(jié)溫度為1100℃～1230℃，燒結(jié)后晶粒的密度為7.8g/cm3。

22、一種壓電陶瓷片，包括所述的高靈敏度的壓電陶瓷材料。

23、可以理解為，利用本發(fā)明的高靈敏度的壓電陶瓷材料制成壓電陶瓷片。

24、進(jìn)一步限定，所述壓電陶瓷片是將高靈敏度的壓電陶瓷材料依次經(jīng)過(guò)研磨切割、披覆電極和極化得到的。

25、進(jìn)一步限定，所述極化是在1800v/mm下進(jìn)行的。

26、一種壓電傳感器，所述壓電傳感器包括所述的高靈敏度的壓電陶瓷材料或所述的壓電陶瓷片。

27、可以理解為，將高靈敏度的壓電陶瓷材料用于壓電傳感器制作中；或是將壓電陶瓷片作為壓電傳感器的組成部分。

28、所述的高靈敏度的壓電陶瓷材料在提升水聽(tīng)器或超聲波探傷靈敏度方面的應(yīng)用。

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

30、1、本發(fā)明壓電陶瓷材料包括四氧化三鉛、五氧化二鈮、碳酸鍶、氧化鎳、碳酸鎂、氧化鈰、氧化鋅、碳酸鋰、二氧化鈦、二氧化鋯；各個(gè)原材料按照化學(xué)式限定的摩爾數(shù)進(jìn)行配比；形成的壓電陶瓷材料中，pb與sr共同占據(jù)a位，zr與ti為主要骨架，在b位利用mg、ni、zn、nb進(jìn)行改性，同時(shí)在晶格中引入ce與li以調(diào)控壓電陶瓷材料的電化學(xué)行為。使得壓電陶瓷材料具有很高的介電常數(shù)和壓電常數(shù)d33，進(jìn)而具有更好的靈敏度，能作為傳感器用于水聽(tīng)器或超聲波探傷中。

31、2、本發(fā)明的壓電陶瓷材料采用多種b位陽(yáng)離子(mg,ni,zn,nb)及a位部分替換(pb,sr)，再加ce、li輔助修飾，可在滿足電荷平衡的前提下優(yōu)化晶格畸變度，使得在zr/ti適宜的區(qū)間內(nèi)，極化疇易于翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生較高的壓電響應(yīng)和較大的介電極化能力。

32、3、本發(fā)明的配比下制備得到的壓電陶瓷材料，壓電陶瓷材料的介電常數(shù)高于6000，壓電常數(shù)d33高于850pc/n，相對(duì)于進(jìn)口材料，具有更好的靈敏度和一致性，且投資成本低，開(kāi)發(fā)出一種新壓電陶瓷材料，具有較大的應(yīng)用前景；進(jìn)一步在性能測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)多次重復(fù)測(cè)試zr/ti在0.62/0.38下均具有較好的性能優(yōu)勢(shì)，表明材料具有較好的穩(wěn)定性。

33、4、本發(fā)明提供的壓電陶瓷材料制備方法，工藝簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。