一種低溫燒結高壓電性能的鋯鈦酸鋇鈣基無鉛壓電陶瓷及其製備方法

2023-12-06 15:27:41 1

專利名稱：一種低溫燒結高壓電性能的鋯鈦酸鋇鈣基無鉛壓電陶瓷及其製備方法
技術領域：
本發明涉及壓電陶瓷，具體是一種低溫燒結高壓電性能的鋯鈦酸鋇鈣基無鉛壓電陶瓷及其製備方法。
背景技術：
壓電陶瓷作為重要的高技術功能材料，其應用已遍及日常生活和生產的各個角落，廣泛應用於超聲換能，傳感器，無損檢測和通訊技術等領域。半個多世紀以來，鋯鈦酸鉛固溶體在研究和應用方面一直佔據壓電陶瓷的主導地位。由於鋯鈦酸鉛固溶體在製備過程中存在I^bO的揮發，不僅造成陶瓷中的化學計量比的偏離，使產品的一致性和重複性降低， 而且I^bO的揮發造成了對環境的汙染。文獻"Wenfeng Liu, Xiaobing Ren. Large Piezoelectric Effect in Pb-Free Ceramic [J], Physical Review Letters，2009, 103(25) : 2576 02 (1-4) 」採用傳統的固相合成方法製備的高性能的鋯鈦酸鋇鈣無鉛壓電陶瓷。然而他們的燒結溫度高達1500°C 以上，高於工業上生產的燒結溫度要求，嚴重的制約了其大批量的生產。目前通用解決方案是加入助溶劑來降低燒結溫度，增加緻密度，降低介電損耗，以得到高性能的無鉛壓電陶瓷，但效果仍不理想。

發明內容
本發明的目的是提供一種低溫燒結高壓電性能的鋯鈦酸鋇鈣基無鉛壓電陶瓷及其製備方法。本發明目的通過下述技術方案來實現
在(BEia85Qiai5) (Zra9Tiai)O3中添加MaO0構成的無鉛壓電陶瓷，可以用通式(l_x) (Ba0.85Ca0.15) (Zr0. Ji0^) O3-XMaO0 其中0 < χ < 0. 01，MaO0 表示氧化物，α 和 β 分別表示相關氧化物中相應的元素M和氧的原子數。其M為Ce、Sm、Yb, Nd中的一種或其組合元
ο上述鋯鈦酸鋇鈣基無鉛壓電陶瓷的製備方法，包括如下步驟
(1)將鈦酸鋇、二氧化鈦、二氧化鋯、碳酸鈣，按化學式(1-x)(Ba0.85Ca0.15) (Zra9Tiai) O3-XMaO0稱量原料；
(2)將步驟(1)配好的原料放入球磨機中混料，球磨5 14h，轉速為20(Γ450轉/分
鍾；
(3)將步驟(2)混合好的料壓塊，在115(T125(TC溫度下預燒廣3h，取出煅燒的料研碎，再次球磨，球磨時間和轉速同步驟0)，然後粉體過50目篩；
(4)在由步驟C3)得到的粉體中按配比添加入MaO0改性添加劑，以無水乙醇為介質， 再細磨5-10 h，乾燥後加入3-5%的聚乙烯醇粘結劑造粒；
(5)將步驟(4)製得的粒料放入模具中，在壓機上以10(T300MPa的壓力壓製出圓片或方片；
(6)將步驟( 成型的圓片或方片放入烘箱中120°C烘廣6h成為素片，然後將烘乾的素片放入爐中排膠，以3(T90°C /h的升溫速率升溫至500°C，再以9(T120°C /h的升溫速率升溫至50(T800°C，並分別在270°C、360°C、500°C及800°C保溫廣4 h，隨爐冷卻；
(7)將步驟(6)得到的素片放入燒結爐中，以120°C/h的升溫速度到600°C保溫池，再以120°C /h的升溫速度到1300-1350°C保溫2- 燒結，燒結後，隨爐冷卻到室溫；
(8)將步驟(7)製得的瓷片浸入25 85°C矽油中極化1(Γ60分鐘，極化電場為 0.廣6kV/m，靜止24 h後測性能。本發明所得的壓電陶瓷經檢測壓電常數d33為420_600pC/N，平面機電耦合係數&高達0.45-0. 51，機械品質因數^為21-133，介電常數ε r為3895-4843，介電損耗 (tan δ )為0. 5%-2. 0%，已經達到部分商用的鉛基壓電陶瓷的性能，即具備部分替代鉛基壓電陶瓷的條件。本發明的優點是本發明(Biia85Qiai5)(Zra9Tiai)O3-MaOe無鉛壓電陶瓷，具有低燒結溫度、優良的壓電性能及綜合性能。通過選擇適當的配方及工藝參數，燒結溫度在 1300-1350°C適合於工業燒結溫度，均可使該體系的陶瓷各項性能良好。


圖1為本發明實施例1樣品的掃描電鏡圖片。圖2為本發明實施例2樣品的X射線圖譜。
具體實施例方式實施例1:
用分析純級質量百分比含量99. 9%BaTi03>百分比含量99. 0%Ti02、百分比含量 99. 0%Zr02、百分比含量 99. 0%CaC03，按化學計量比為 0. 9998 (Ba0.85Ca0.15) (Zra9Tiai)O3 — 0. 0002&02進行配料；將配的原料放入球磨機中混料，加入無水乙醇作為介質；球磨時間為 10 h，轉速為400轉/分鐘，混合好的料壓塊在1250°C溫度下預燒2 h，取出煅燒的料研碎， 將得到的粉體按摩爾比0. 0004Ce02改性添加劑以無水乙醇為介質再細磨5-10 h，乾燥後加入3-5%的聚乙烯醇粘結劑造粒，在150MPa的壓力下壓製出圓片或者方片；在燒結時以 1200C /h的升溫速度到600°C保溫2h，再以120°C /h的升溫速率升至1330°C，保溫4小時， 然後隨爐冷卻，燒結完成後取出，塗敷低溫銀漿，600°C保溫0. 5小時製成電極；製得的瓷片浸入40°C矽油中極化15分鐘，極化電場為2、kV/mm ；靜止24h後測得性能為
d33(PC/N)Qmkpε rtan δ
54036.1070.5124921.521.4%
實施例2
製備方法中成分表達式為0. 9996 (Ba0.85Ca0.15) (Zra9Tiai)O3 — 0. 0004Ce02，燒結溫度是1320°C，其他同實施實例1， 性能測試
d33(PC/N)Qmkpε rtan δ
60320. 360. 5124842. 51. 2%實施例3
製備方法中成分表達式為0. 9994 (Ba0.85Ca0.15) (Zra9Tiai)O3 — 0. 0006Ce02，燒結溫度是 1320°C，其他同實施實例1， 性能
d33(PC/N)Qmkpε rtan δ
56040.950.494381. 71.04%
實施例4
製備方法中成分表達式0. 9992 (Ba0.85Ca0.15) (Zra9Tiai)O3 — 0. 0008Ce02，燒結溫度是 1320°C，其他同實施實例1， 性能
d33(PC/N)Qffl
56092. 21
實施例5
製備方法中成分表達0.S 1320°C，其他同實施實例1， 性能
d33(PC/N)Qffl
477132. 5
實施例6
製備方法中成分表達式0 1350°C，其他同實施實例1， 性能 d33(PC/N)Qffl
55030.87
實施例7
製備方法中成分表達式0 1350°C，其他同實施實例1， 性能 d33(PC/N)Qffl
42082. 15
實施例8
製備方法中成分表達式0. 9996 (Ba0.85Ca0.15) (Zra9Tiai)O3 — 0. 0004Yb02，燒結溫度是 1350°C，其他同實施實例1， 性能
d33(PC/N)Qmkpε rtan δ
470104. 70. 5153895.42. 1%
實施例9
製備方法中成分表達式0. 9994(Ba0.85Ca0.15) (Zra9Tiai)O3 — 0. 0006Yb02，燒結溫度是 1350°C，其他同實施實例1，
kpε rtan δ
0. 5364463.60.86
)99 (Ba0.85Ca0.15) (Zra9Tiai)O3 — 0. OOlCeO2,燒結溫度是
kpε rtan δ
0.4473866. 51.02%
.999(Ba0.85Ca0.15) (Zra9Tiai)O3 — 0. OOlSmO2，燒結溫度是
kpε rtan δ
0. 5174645. 51. 34%
.998(Ba0.85Ca0.15) (Zra9Tiai)O3 — 0. 002Sm02，燒結溫度是
kpε rtan δ
0. 4513981. 41. 46%性能
d33(PC/N)Qmkpertan 6
53045. 520.4984155.61. 76%
實施例10
製備方法中成分表達式0. 999(Ba0.85Ca0.15) (Zra9Tiai)O3 — 0. 001 ，燒結溫度是 1350°C，其他同實施實例1， 性能
d33(PC/N)Qmkpertan 6
51093.040. 5444461.41. 24%
實施例11
製備方法中成分表達式0. 999(Ba0.85Ca0.15) (Zra9Tiai)O3 — 0. OOlNdO2，燒結溫度是 1340°C，其他同實施實例1， 性能
d33(PC/N)Qmkpertan 6
42072. 150.4613581.41. 76%
權利要求
1.一種低溫燒結高壓電性能的鋯鈦酸鋇鈣基無鉛壓電陶瓷，其特徵是該鋯鈦酸鋇鈣基無鉛壓電陶瓷的化學組成通式為(I-X) (Ba0.85Ca0.15) (Zra9Tiai)O3-XMaO0，其中0 < χ < 0.01,Ma0e表示氧化物，以(BEia85Qiai5) (Zra9Tiai)O3為基體，以MaO0為助燒劑，經傳統制陶工藝燒制而成。
2.根據權利要求1所述的鋯鈦酸鋇鈣基無鉛壓電陶瓷，其特徵是所述MaO0中的a 和β分別表示相關氧化物中相應的元素M和氧的原子數；其M為Ce、Sm、Yb, Nd中的一種或幾種元素。
3.權利要求1所述的鋯鈦酸鋇鈣基無鉛壓電陶瓷的製備方法，包括溼磨、烘乾、預燒、 加入助燒劑、二次球磨、造粒、壓製成型、燒結、打磨、披銀和矽油中極化，其特徵是無鉛壓電陶瓷在燒結時以120°C /h的升溫速度到600°C保溫2h，再以120°C /h的升溫速度到 1300-1350°C保溫2- 燒結，燒結後，隨爐冷卻到室溫。
全文摘要
本發明公開了一種低溫燒結高壓電性能的鋯鈦酸鋇鈣基無鉛壓電陶瓷及其製備方法，其特徵是鋯鈦酸鋇鈣基無鉛壓電陶瓷的化學組成通式為(1-x)(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.9Ti0.1)O3-XMαOβ其中:0＜x＜0.01，MαOβ表示氧化物，α和β分別表示相關氧化物中相應的元素M和氧的原子數；其M為Ce、Sm、Yb、Nd中的一種或幾種元素，以(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.9Ti0.1)O3為基體，以MαOβ為助燒劑，經傳統制陶工藝燒制而成。本發明(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.9Ti0.1)O3-MαOβ無鉛壓電陶瓷，具有低燒結溫度、優良的壓電性能及綜合性能。通過選擇適當的配方及工藝參數，燒結溫度在1300-1350℃適合於工業燒結溫度，均可使該體系的陶瓷各項性能良好。
文檔編號C04B35/622GK102351533SQ201110197549
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月15日 優先權日2011年7月15日
發明者劉心宇, 崔業讓, 江民紅, 胡耀斌, 袁昌來 申請人:桂林電子科技大學