本发明涉及一种高性能高熵铋层状压电材料及其制备方法，属于压电材料领域。
背景技术：
1、压电材料可以将电能转化为机械能，或将机械能转换为电能，是一类重要的功能材料，在航空航天、国防军工、汽车电子等关键领域被广泛应用。铋层状压电材料是一类具有独特层状结构的压电材料，具有高居里温度、高击穿场强、低介电损耗等优点，在超高温度、非易失性铁电存储器等领域有突出的优势。如在航空发动机健康管理系统的关键器件高温压电振动传感器中，铋层状压电材料是其中用量最大的482℃传感器的关键材料。压电性能决定着传感器的灵敏度，因此，提高铋层状压电材料的压电性能有重要意义。
2、然而，目前铋层状压电材料压电性能仍然偏低，特别是对于居里温度850℃以上的铋层状压电材料。如cabi2nb2o9体系，其居里温度高达900℃以上，但报道的压电性能最高只有21pc/n左右。并且，由于铋层状压电材料中没有类似锆钛酸铅体系中的准同型相界，人们缺乏提高其压电性能的有效手段。长期以来，提高铋层状压电材料性能的方法主要是掺杂，即向a/b位，或同时向a位和b位中引入掺杂离子，增大晶格畸变，提高其压电性能。这一方法在研究初期迅速提高了铋层状压电材料的性能，但随着人们对各种掺杂方式的持续探索，这一方法在提高其压电性能方面逐渐遇到了瓶颈。因此，为进一步提高铋层状压电材料的压电性能，须开发新的设计思路。
3、高熵材料近年来吸引了越来越多学者的注意，这一概念最初应用在合金材料中，后被应用到氧化物、碳化物等中。高熵合金一般被定义为5种或5种以上元素按等原子比或接近等原子比的比例形成的一种固溶体。高熵合金有四大效应，即高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和“鸡尾酒”效应。高熵合金有许多超越传统材料的优异特性，如高温强度高、耐腐蚀性高、耐磨性好等，因此，高熵材料的设计思路有望为开发高性能材料提供新的途径。
4、近年来，一些学者尝试利用高熵材料的思路提高铋层状压电材料的性能，但效果并不理想。例如，zhang man等(m.zhang,et al.,materials and design,200,109447,2021；m.zhang,et al.,acta materialia,229,117815,2022)虽然研究了高熵铋层状压电材料(ca0.25sr0.25ba0.25pb0.25)bi2nb2o9 and(ca0.2sr0.2ba0.2pb0.2nd0.1na0.1)bi2nb2o9，但其设计元素多为+2价元素，所得材料接近弛豫铁电体，会大幅削弱压电性能，且居里温度偏低(＜500℃)。由于高熵材料涉及到的元素众多(5种以上)，其可能的组合方式千差万别。并且由于元素种类过多，极易导致弛豫倾向，会严重破坏铁电性，从而削弱压电性能和大幅降低居里温度。因此，急需一种可行的设计思路以获得高性能的高熵铋层状压电材料。
技术实现思路
1、针对当前铋层状压电材料性能提升遇到的瓶颈问题，本发明提出了一种全新设计高熵铋层状压电材料及其制备方法。
2、一方面，本发明提供了一种高熵铋层状压电材料，所述高熵铋层状压电材料的组成为li0.2na0.2a0.2bi0.2x0.2bi2nb2o9，其中a为ca、sr中的一种，x为+3价元素。
3、本公开中，创造性地通过将a位离子中引入五种等摩尔量的离子，其中+1价、+2价及+3价的离子摩尔量比例为2:1:2，从而获得了兼具高压电性能和高居里温度的高熵铋层状压电材料。采用本发明提出的设计方法，可以获得高压电性能的铋层状压电材料，并且保持较高的居里温度，为设计高性能铋层状压电材料提供了新的设计思路。
4、较佳的，所述高熵铋层状压电材料的组成为(li0.2na0.2ca0.2bi0.2x0.2)bi2nb2o9；其中x为稀土元素；优选稀土元素为la、pr、nd、sm、pm或eu。
5、较佳的，当x为la时，高熵铋层状压电材料的居里温度为871℃；当x为nd时，高熵铋层状压电材料的居里温度为836℃。
6、另一方面，本发明提供了一种高熵铋层状压电材料的制备方法，包括：
7、(1)将a源、x源、li2co3、na2co3、bi2o3、nb2o5粉体按照化学计量比li0.2na0.2a0.2bi0.2x0.2bi2nb2o9进行称量和混合，在800～850℃下煅烧，得到原料粉体；
8、(2)将原料粉体和粘结剂混合后造粒，得到造粒粉体；
9、(3)将造粒粉体压制成型、排塑和烧结，得到所述高熵铋层状压电材料。
10、较佳的，所述a源为caco3和srco3的至少一种；
11、所述x源la2o3、nd2o3、sm2o3、pr2o3、pm2o3、eu2o3中的至少一种。
12、较佳的，所述粘结剂为浓度4～8wt.％的聚乙烯醇溶液；所述粘结剂的量为原料粉体质量5％～10％。
13、较佳的，所述压制成型的方式为干压成型。所述干压成型的压力为100～200mpa；；所述煅烧的时间为2～4小时。
14、较佳的，所述排塑的温度为600～700℃，时间为2～3小时；优选地，所述排塑的升温速率不高于2℃/min。
15、较佳的，所述烧结的温度为1130～1160℃，时间为2～4小时；优选地，所述烧结的升温速率不高于2℃/min。
16、较佳的，将所得高熵铋层状压电材料表面制备电极和极化处理；所述极化处理为：在120～200℃条件下施加20～26kv/mm的电压极化10min以上。
17、又，较佳的，所述电极为铂电极，所述铂电极的制备为：在高熵铋层状压电材料上下表面涂覆铂电极浆料后在800～900℃下保温20～40min。
18、有益效果：
19、本发明结合高熵材料的设计思路与铋层状压电材料的特点，提出在a位中引入5种等摩尔量的离子，并且+1价、+2价与+3价离子比为2:1:2的组合方式，设计出在保持较高居里温度的条件下提高其压电性能的方法，从而获得了具有较大压电性能和高居里温度的铋层状压电材料。本发明涉及的材料，其压电系数可达25pc/n，同时居里温度保持在850℃以上，是目前居里温度850℃以上的材料中，压电性能最高的高温压电材料(目前国际上报道的压电系数最高值为21.1pc/n，这一结果是依据传统的掺杂思路得到的)，在国际上具有领先性。
1.一种高熵铋层状压电材料，其特征在于，所述高熵铋层状压电材料的组成为(li0.2na0.2a0.2bi0.2x0.2)bi2nb2o9，其中，a为ca、sr中的一种，x为+3价元素。
2.根据权利要求1所述的高熵铋层状压电材料，其特征在于，x为稀土元素；优选稀土元素为la、pr、nd、sm、pm或eu。
3.根据权利要求2所述的高熵铋层状压电材料，其特征在于，当x为la时，高熵铋层状压电材料的居里温度为871℃；当x为nd时，高熵铋层状压电材料的居里温度为836℃。
4.一种如权利要求1-3中任一项所述的高熵铋层状压电材料的制备方法，其特征在于，包括：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述a源为caco3、srco3中的一种；
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为浓度4～8wt.％的聚乙烯醇溶液；所述粘结剂的量为原料粉体质量5％～10％。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述压制成型的方式为干压成型；所述干压成型的压力为100～200mpa；所述煅烧的时间为2～4小时。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述排塑的温度为600～700℃，时间为2～3小时；优选地，所述排塑的升温速率不高于2℃/min；
9.根据权利要求4-8中任一项所述的制备方法，其特征在于，将所得高熵铋层状压电材料表面制备电极和极化处理；所述极化处理为：在120～200℃条件下施加20～26kv/mm的电压极化10min以上。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述电极为铂电极，所述铂电极的制备为：在高熵铋层状压电材料上下表面涂覆铂电极浆料后在800～900℃下保温20～40min。
