驅動器用含鈮銻酸鉛的五元系壓電陶瓷材料及製備方法

2023-11-01 23:53:27 5

專利名稱：：驅動器用含鈮銻酸鉛的五元系壓電陶瓷材料及製備方法
技術領域：
：本發明屬於材料
技術領域：
，具體涉及到用於壓電器件或電致伸縮器件。
背景技術：
：壓電材料是一種會辦將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料。它是一種具有壓電效應的材料。它可以因機械變形產生電場,也可以因電場作用產生機械變形,這種固有的機-電耦合效應使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應用,而且新一代的壓電材料還具有斜牛反射和指令分析的能力。壓電材料的這種獨特功能使其在智能材料系統中具有更廣闊的應用前景。近些年來，壓電材料在汽車
技術領域：
中的應用也越來越多，以實現能量轉換、傳感、驅動、頻率控制等功能。其中，壓電陶瓷具有響應快、製造簡單、能量密度高、易於控制等特點，是製備驅動器的理想材料。其主要用於電動後視鏡、電動門窗、電動座椅、制動片的驅動等。當採用壓電驅動器或壓電電機驅動時，可大大減小電機的體積，且具有控制精度高、不受電磁幹擾、無噪聲等優點；特別是,壓電驅動器或壓電電機可直接用於直線驅動控制，無需將旋能動轉換成直線運動的轉換機構。各種壓電驅動器已經在智能材料結構、減震降噪系統、MEMS系統中得到了廣泛地應用，尤其在智能材料結構中，其作用不可替代，常被用來實現結構的機械動作,從而改變齡智能結構的微、剛度、固有頻率、阻尼辦性。因此，驅動^5開究的深入將大大促進其相關應用領域的進展。目前先進的柴油噴射技術採用電子共軌噴射系統，採用壓電陶瓷驅動器取代噴油器電磁執行器，噴油嘴針閥的數量由4個減少到1個,運動質量減少75%。壓電驅動器啟閉速度小於萬分之一秒，比電磁開關所需要的時間少50%。噴油系統的噴射壓力已從160MPa提高到180MPa^並進一步將噴射壓力提高到200MPa,噴射過程完全可調，可以實現任意次分段噴射，每次循環最多可實現57次分段噴射。採用這種壓電控制技術的噴油器之後，具有反應靈敏、控制自由度高的優點，燃油噴射量的控制精度可大大提高，同時針閥的開啟、關閉速度也大大加快，使其降低了燃油量，減少了噪音汙染。驅動器的研究又依賴於驅動材料的研究,壓電驅動器是在諧振狀態下工作的,其振子應滿足產生儘可能大的位移,要求其具有高的壓電常數逸3;要獲得高的轉換效率，則機電耦合係數Ap要大。因此，壓電驅動器必須同時具有高壓電常數^和高機電耦合係數&的電性能。目前，研究工作主要集中在三元系和四元系的壓電陶瓷材料上，如PMS-PZT、PMN-PZT、PZN-PMS-PZT、PNW-PMN-PZT。但研究五元系並同時獲得高《3、高《p的體系尚不多見。Pb(Mg^W^)OrPb(N^Nb2/3)03-PZT體系具有優良的壓電特性，Pb(Sb1/2Nb1/2)03是一類具有較高介電常數的弛豫鐵電體。因此本工作旨在將PKMg^W^)03-Pb(N^NbM)03-PZT與Pb(Sb1/2Nb1/2)03複合，研究一種具有優良壓電性能的新五元系壓電陶瓷PbCMgwWwXVPl^SbwNb^CVPbCN^DCVPZT(PMWSN-PNN-PZl^。通過深入探討Pb(Mgi/2W^)03含量、ZivTi比和Pb(Sb!/2Nbi/2)03含量、皿穩定14S燒結保溫時間和燒結皿變iWPMWSN-PNN-PZT體系陶瓷性能的影響，從而尋找一個最佳組份和製備工藝，以製備同時具有高《3和高Ap的壓電陶瓷驅動器用材料。
發明內容本發明所要解決的一個技術問題在於，一種壓電性能好、實用性強、易於生產、組分多的驅動器用含鈮銻酸鉛的五元系壓電陶瓷材料。本發明所要解決的另一個技術問題在於提供一種驅動器用含鈮銻酸鉛的五元系壓電陶瓷材料的製備方法。解決上述技術問題所採用的方案是用下述通式表示的材料組成xP,g^W^)03-yPb(Sb參,y2)]03畫(0.41陽X-y)P鵬/3Nb2/3P3誦Pbo.59(ZrzTio.59-z)03，式中0.005^x50.07,0￡yS0.04，0.30Sz^0.50。xP,g函/2)OryPb(Sb!y2NM]03-(0.41國x-y)Pb(Ni!/3Nb^)03-Pbo.59(ZrzlW)03通式表示的材料中，tt^i取值為0.01^x^0.04、0.006Sy^0.03、0.32^^0.41。xPb(Mgly2W1o)OryPb(Sb1々Nb1』Or(0.41-x-y)Pb(Ni1/3Nb2^O3-Pba59(ZrzIW》O3通式表示的材料中，最佳取值x為0.02、y為0.01、z為0.38。上述驅動器用含鈮銻酸鉛的五元系壓電陶瓷材料的製備方法包括步驟如下1、配料合成按上艦式化學計量的Pb304、Zr02、TO2、Mg(OH)2.MgC03.6H20、W03、Sb205、Nb205、NiO混合，m尼龍罐中，加入無水乙醇為分散劑和氧化鋯球為球磨介質,無水乙醇與原料的重量比為1:2，用球磨機球磨612小時，織為400轉/分，分離氧化鋯球，將混合料方^A^P燥箱內80°C、510小時烘乾，再^A石iF^中研磨30分鐘，過80目篩。2、預燒^W磨後的料置於氧化鋁坩堝內，用瑪瑙棒壓實，使其松裝密度達到1.5g/cm3，加蓋，在電阻爐內800850。C預燒保溫24小時，自然冷卻到室溫，出爐。3、造粒將職過的燒i細ff^研細過160目篩，加入重量濃度為5%的聚乙烯麟液和丙三醇溶液，原料與5%的聚乙烯醇溶液、丙三醇的重量比為l:0.0680.072:0.00970.013，充分攪拌，自然乾燥，過120目的篩，製成球狀粉粒。4、壓片將造粒後的粉料MA直徑為15mm的不鏽鋼模具內，在100Mpa壓力下壓成1.5腿的圓柱狀坯件。5、排膠將坯件放入電阻爐內，50(TC保溫1小時進行有機物排除。6、燒結糊敝坯vf牛^Aft化鋁塒堝內，^h氧化鋁鵬識行密封，升^M25。C/分鐘，在11201200'C保溫16小時，隨爐自然冷卻到室溫。7、燒銀將燒結好的陶瓷表面打磨，拋光至0..81.2腿厚，用功率為100w的超聲波清洗機、頻率為50kHz的超聲波清洗30分鐘，烘箱內80°C烘乾，在其上下表面塗覆厚度為0.010.03mm的銀漿，置於電阻爐中850。C保溫30辦中，自然冷卻至室溫。8、極化將燒好銀的試樣置於甲基矽油中加熱至120180°C，施加3kV/mm5kV/mm的直流高壓，持續1530分鐘，製備成壓電陶瓷。9、測試壓電性能極化完測試片，室溫下靜置24小時後測試壓電性能。在本發明的燒結工藝步驟6中，將排膠坯件放入氧化鋁坩堝內，蓋上氧化鋁坩堝蓋進行密封，升鵬度25。C/辦中，雌在11501200。C保溫25小時，隨爐自然冷卻到室溫。在本發明的極^X藝步驟8中，將燒好銀的試樣置於甲基矽油中,加熱至120160。C，施加3kV/mm4kV/mm的直流高壓，持續2030iHt，製備成壓電陶瓷。在本發明的燒結工藝步驟6中，將排膠坯件駄氧化鋁坩堝內，蓋上氧化鋁坩堝蓋進行密封，升鵬度25。C/，，最佳在1180。C保溫4小時，隨爐自然7物到室溫。在本發明的極化工藝步驟8中，將燒好銀的試樣置於甲基矽油中最佳加熱至120'C，施加3.5kV/mm的直流高壓，持續25分鐘，製備成壓電陶瓷。本發明經大量的研究實驗，結果表明，工藝步驟簡單、重複啦子、成品率高，所製備驅動器用含鈮銻酸鉛的五元系壓電陶瓷材料的電性能與文獻報導的同類陶瓷材料相比，介電損耗明顯降低，壓電常數d33和平面機電耦合係數Kp明顯提高，壓電常數為600850pC/N、機電耦合係數為0.550.75、室溫相對介電常數為35005000。本發明壓電陶瓷可用於製備汽車內置的振動傳感器、控制器的殼體、動態燃料注射噴嘴、大功率超聲器件、高溫高頻振動計、高溫流量計、耐高溫分蜂鳴器以及高溫傳感器等器件的高溫壓電陶瓷材料。圖l是118(TC燒結4小時不同Pb(Mg^W^)03含量陶瓷的X射線圖譜。圖2是1180。C燒結4小時不同Pb(Mg^W^)03含量陶瓷斷面的掃描電鏡照片。圖3是1180。C燒結的不同保溫時間陶瓷的X射線圖譜。圖4是1180。C燒結的不同保溫時間陶瓷斷面的掃描電鏡照片。圖5是1180。C燒結4小時不同Zr/Ti比含量陶瓷的X射線圖譜。圖6是1180。C燒結4小時不同Zr/Ti比含量陶瓷斷面的掃描電鏡照片。圖7是1150。C燒結4小時不同Pb(Sbi/2Nbi/2)03含量陶瓷的X射線圖譜。圖8是1150。C燒結4小時不同Pb(Sb^Nb^)03含量陶瓷斷面的掃描電鏡照片。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，但本發明不限於這些實施例。實施例l以生產本發明產品所用原料100g為例，x為0.02、y為O.Ol、z為0,38時，用通式0.02Pb(Mg^Ww)O3-0.01Pb(Sbv2Nt^)Or0.38Pb(Nh/3Nb2/3)OrPb.59(Zra38Ti(^)O3表示的原料及其重量配比為Pb30467.22gZi0213.77gTi024.93gMg(OH)2.MgC03.6H200.3gW030,68gSb2050.22gNb20510.10gMO2.78g其製備方法如下1、配料合成按上i^ffl式化學計量的Pb304、Zr02、Ti02、Mg(OH)2'MgC03'6H20、W03、Sb205、Nb2Os、NiO混合，^A尼龍罐中，加入^7jC乙醇50g為分散劑和氧化鋯球為球磨介質，用球磨機球磨612小時，魏為400轉/分，分離氧化鋯球，將混合料方^A千燥箱內80。C、510小時烘乾，再方i(A研缽中研磨30分鐘，過80目篩。2、預燒艦磨後的料置於氧化鋁坩堝內，用瑪瑙棒壓實，使其松裝密度達到1.5g/cm3,加蓋，在電阻爐內80(TC預燒保溫3小時，自然冷卻到室溫，出爐。3、造粒將予鵬過的燒塊用石if^研細過160目篩，加入重量濃度為5%的聚乙烯醇溶液7g和丙三,液lg，原料與5%的聚乙烯醇溶液、丙三醇的重量比為l:0.7:0.01,充分攪拌，自然乾燥，過120目的篩，製成球狀粉粒。4、壓片將造粒後的粉料方J(A直徑為15mm的不鏽鋼模具內，在100Mpa壓力下壓成1.5mm的圓柱狀坯件。5、排膠將坯件放入電阻爐內，50(TC保溫1小B寸進行有機物排除。6、燒結將排膠坯件放入氧化鋁坩堝內，蓋上氧化鋁坩堝蓋進行密封，升溫速度4'C/分鐘，在1180。C保溫4小時，隨爐自然冷卻到室溫。7、燒銀將燒結好的陶瓷表面打磨，拋光至0.81.2腿厚，用功率為100w的超聲波清洗機、頻率為50kHz的超聲波清洗30分鐘，烘箱內80。C烘乾，在其上下表面塗覆厚度為0.010.03mm的銀漿，置於電阻爐中85(TC保溫30^H中，自然冷卻至室溫。8、極化將燒好銀的試樣置於甲基矽油中加熱至120°C，施力卩3.5kV/mm的直流高壓，持續25分鐘，製備成壓電陶瓷。9、測試壓電性能室溫下靜置24小時後測試壓電性能。實施例2以生產本發明產品所用原料100g為例，x為0.005、y為0、z為0.30時，用通式0.005Pb(Mg1/2W1/2)O3-0.405Pb(N^Nb^)O3-Pbo.59(Zro.3oTio.29)03表示的原料及其重量配比為Pb30464,66gZr0210.46gTi026.56gMg(OH>2MgC03.6H200.07gW030.16gSb205OgNb20515.23gMO2.86g其製備方法如下將原料^A尼龍罐中，加入^7K乙醇50g為分散劑，氧化鋯球為球磨介質，該工藝步驟的其它步驟與實施例1相同。在臓工藝步驟2中，>|^開磨後的料置於氧化鋁柑堝內，用瑪瑙棒壓實，使其松裝密度達到1.5g/cm3,加蓋，在電阻爐內82(TC予鵬保溫4小時，自然冷卻到室溫，出爐。在造粒工藝步驟3中，將予鵬過的燒±央用石腳研細過160目篩，加入重量濃度為5%的聚乙烯醇溶液6.8g和丙三醇溶液0.97g，原料與5%的聚乙烯醇溶液、丙三醇的重量比為1:0.068:0.0097，充分攪拌，自然千燥，過120目的篩，製成球狀粉粒。在燒結工藝步驟6中，將排膠坯件^A氧化鋁坩堝內，蓋上氧化鋁柑堝蓋進行密封，升溫速度2。C/射中，在1180。C保溫6小時，隨爐自然冷卻到室溫。在極^X藝步驟8中，將燒鄉的辦置於甲基矽油中加熱至120。C，施加5kV/mm的直流高壓，持續15，，製備自電陶瓷。其它工藝步驟與實施例1相同。實施例3以生產本發明產品所用原料100g為例，x為0.07、y為0.04、z為0.50時，用通式示的原料及其重量配比為Pb30468.16gZr0218.37gTi022.14gMg(OH)2.MgC03.6H201.05gwo32.42gSbA0.87gNb2Os4.76gNiO2.23g其製備方法如下:將原料^A尼龍罐中，加入無水乙醇50g為分散劑，為球磨介質，該工藝步驟的其它步驟與實施例1相同。在預燒工藝步驟2中，^flif磨後的料置於氧化鋁坩堝內，用瑪瑙棒壓實，使其松裝密度達到1.5g/cm3,加蓋，在電阻爐內850'C!1^保溫2小時，自然7物到室溫，出爐。在造f扛藝步驟3中，將鵬過的燒i細石j^研細過160目篩，加入重量濃度為5%的聚乙烯醇溶液7々和丙三醇溶液1.38，原料與5%的聚乙烯醇溶液、丙三醇的重量比為l:0.072:0.013，充分攪拌，自然乾燥，過120目的篩，製成球狀粉粒。在燒結工藝步驟6中，糹糊P膠坯件^A氧化鋁坩堝內，蓋上氧化鋁塒堝蓋進行密封，升溫速度5。C/分鐘，在1200。C保溫1小時，隨爐自然冷卻到室溫。在極化工藝步驟8中，將燒好銀的試樣置於甲基矽油中加熱至180°C，施加3kV/mm的直流高壓，持續30餅，製備鵬電陶瓷。其它工藝步驟與實施例1相同。實施例4以生產本發明產品所用原料100g為例，x為O.Ol、y為0.006、z為0.32時，用通式0.0^13(\%1(2\^)03-0.0061)(81^1^1/2)03-0.39415(1^1/3>1)2/3)03-130.59(&0.32110..27)03表示的原料及其重量配比為Pb30467.86gZr02H.71gTiQ26.40gMg(OH)2.MgC03.6H200.15gW030.34gSb2050.13gNb20510.50gMO2.91g其製備方法如下在燒結工藝步驟6中，將排膠坯件^A氧化鋁坩堝內，蓋上氧化鋁坩堝蓋進行密封，升鵬度5"C/分鐘，在112(TC保溫4小時，隨爐自然冷卻到室溫。其它工藝步驟與實施例1相同。實施例5以生產本發明產品所用原料100g為例，x為0.04、y為0.03、z為0.41時，用通式0.04Pb(MgwW^)Or0.03Pb(Sb^M^)O3-0.34Pb(N^Nb^)OrPb.59(Zr(^Tl(U8)O3表示的原料及其重量配比為Pb30466.65gZr0214.73gTi024.19gMg(OH)2.MgC03.6H200.59gW031.35gSb2050.64gNb2059.38gNiO2.47g其製備方法與實施例1相同。為了確定本發明的最佳配比以及最佳工藝步驟，發明AiS行了大量的實驗室研究實驗，各種實驗情況如下測試儀器精密LCR電橋測試儀，型號為HP4294A，由安捷倫禾根有限公司生產；準靜態d33測試儀，由中國科學院聲學研究所生產；精密阻fe分析儀，型號為HP4294A，由安捷倫禾4K有限公司生產；X射線衍射儀，型號為D/max-2200，由日本理學公司生產；掃描電鏡型號為Quanta200，由荷蘭菲利浦FEI公司生產。1、Pb(Mg^W^)03含量對陶瓷電性能的影響將原料置^f^燥箱內120。C乾燥5小時，按通式xPb(Mg1/2W1/2)O3-(0.41-x)Pb(Ni!/3Nb2/3P3-Pbo.59(Zro.38Tla2003進行配料，式中z為(X38,X分別為0.01、0.02、0.04、0.06，溼法球磨12小時，出料，溼料烘乾後在800。C下予鵬2小時。予鵬後的粉條相同^f牛下進行二次球磨30頒，出料，S0。C、8小時烘乾，用石腳磨20儲過120目篩，添加重量濃度為5%的聚乙烯醇造粒，添加量為預燒粉料重量的7%,將造粒後的料用模具壓戱徑為15i0.05mm、厚度為1.5±0.02畫的圓片，在100Mpa壓力下糊壓製成型，500°C保溫1小時進行排膠，升鵬度1.5。C/分沐1120120(TC於鉛保護氣氛中保溫16小B寸，隨爐自然冷卻到室溫。將燒結的陶瓷圓片打磨拋光至直徑為13.5mm、厚度為1.2mm，用超聲波清洗、8(TC烘乾，在兩面塗覆銀漿，於85(TC燒滲銀電極30分鐘。然後將燒過電極的試樣置於120°C的矽油中以3kV/mm5kV/mm的直流高壓極化30分鐘，得至lj壓電陶瓷成品。於室溫下靜置24小時後測TO電性能。然後將燒過電極的，進行電容和介電損耗tanS測試。通過下式計算介電常數formulaseeoriginaldocumentpage12式中，t為陶瓷片的厚度，8b為真空介電常數8.85xlO"2F/m)，d為陶瓷片的直徑。用準靜態測試儀測量壓電陶瓷的壓電常數^3。採用阿基米德法測定陶瓷樣品的密度/Kg/cm3)。具體方法為將樣品清洗乾淨，方從恆溫千燥箱內，烘乾後取出用麟勒-託利多電子天平稱出樣品在空氣中質量A(單位為g)，然後將樣品^A水中煮沸40分鐘，再浸泡510，之後稱出樣品在蒸餾水中的質量B(單位為g)。根據以下公式計算其體積密度。formulaseeoriginaldocumentpage12式中A為待測固條空氣中質量，B為待測固粘輔助液體水中質量，po為輔助液體密度，戶L為空氣密度(0.0012g/cm3)。在安捷倫HP4294AJ^SfiH皆振反諧振測試，得至隨振頻斜口反諧振頻率，按(3)式計算平面機電耦合係數Kp，按(4)式計算機械品質因素Qm:formulaseeoriginaldocumentpage12formulaseeoriginaldocumentpage13(4)式中，/為諧振頻率，X為反諧振頻率，r為諧振電阻，cT為lkHZ下離的靜態電容量c測試和計算結果見表l。表1不同燒結溫度下Pb(Mg1/2W1/2)03含量對陶瓷電性能的影響tableseeoriginaldocumentpage13由表1可見，當x為0.005^0.07所製備的壓電陶瓷的性能轍f,其中x為0.02時，在118(TC保溫4小時所製備壓電陶瓷的各項性能最佳。由表1可見，z為0.38，Pb(Mgly2W1/2)03^0.01~0.06mol、'J^^為11501200°C、保溫4小時，Pb(Mg1/2W1/2)03^*的增加，所製備的壓電陶瓷的密度、壓電常數&、平面機電耦合係數^p和介電常數&均呈現先增加後減小的趨勢，但機械品質因數Gn和損耗tan^呈現先減小後增加的趨勢。對相同Pb(Mg1/2W1/2)03含量不同燒結驢審U備的壓電陶瓷，隨著燒結的升高，密度、壓電常數&、平面機電耦合係數《p和介電常數&均呈現先增加後減小的趨勢；隨著燒結溫度升高gm和損耗tan3呈現先減小後增加的趨勢。z為0.38、Pb(Mgi。W^)03含量為0.01MX06mol，118(TC燒結4小時戶賴ij備的壓電陶瓷的X射線圖譜見圖1。由圖1可見，所有組份都為純轉鈦礦相結構，沒有惡化性能的焦綠石相和第二相雜相的出現。並且，由20為43e47。處的單峰(200)r可以說明，該材料體系為菱方相結構。z為0.38、Pb(Mg^W^)03含量為0.01^0.06mol，118(TC燒結4小時戶賴!j備的壓電陶瓷斷面的電子掃描電鏡照片見圖2。在圖2中，圖2a是118(TC燒結Pb(Mg^W^)O3含量為0.01mol的壓電陶^面的電子掃描電鏡照片，圖2b是118(TC燒結Pb(Mg^W^)03含量為0.02md的壓電陶瓷頓的電子掃描電鏡照片，圖2c是118(TC燒結Pb(MgwWw)03含量為0.04mol的壓電陶瓷斷面的電子掃描電鏡照片，圖2d是118(TC燒結Pb(Mg^W^)03含量為0.06mol的壓電陶瓷斷面的電子掃描電鏡照片。由圖2可見，當體系中含少量Pb(Mg^W^)03時，壓電陶瓷不緻密，晶粒不均勻，並且氣孔較多；隨著Pb(Mg^W^P3含量的增加，體系的晶界清晰，顆粒飽滿，晶粒生長均勻，見圖2b;並且Pb(Mgv2W^)03含量越多，壓電陶瓷氣孑L越多，晶粒大小不一。2、保溫時間對陶瓷電性能的影響按通式O^PbCMgi/zW^PrOWPKN^Nb^CVPbo.59(Zr。.38Tio21)03進行配料，實驗方法與實驗1相同，保溫時間16小時。然後將燒過電極的辦測試電容禾口介電損耗tanS。用準靜態測試儀測量壓電陶瓷成品的壓電常數逸3，按公式(1)計算介電常數s,，按公式(2)計算密度，按公式(3)式計算平面機電耦合係數Kp，按公式(4)式計算機械品質因素On。測試和計算結果見表2。表2118(TC不同保溫時間對燒結陶瓷電性能的影響燒結ag保溫時間/jd33&(。C)(h)(g/cm3)(pC/N)1180123467.087.657.707.817.805600.606190.66704.0.627900.69778'0.642m189134893338tan<5(xlO,0.03620.03000.02850.01720.018117182637392144044398由表2可見，當保溫時間大於4小時時，^性能^H圭。由表2可見，z為0.38、x為0.02，^^鵬為1180。C，保溫時間為16小時，所製備的壓電陶瓷的各項性能指標較好，隨著保溫時間增加，所製備的壓電陶瓷的密度、壓電常數逸3、平面機電耦合係數Ap和介電常數&均呈現先增加後減小的趨勢，但機械品質因數On和損耗tan3呈現先減小後增加的趨勢。當保溫時間大於或等於4小時時，壓電陶瓷均有較好的密度、壓電常數J33、平面機電耦合係數&、介電常數&、On和損耗tan^其中當x為0.02時，在1180°C保溫4小時的壓電陶瓷的各項性能最佳。z為0.38，x為0.02，1180。C不同保溫時間所製備的壓電陶瓷的X射線圖譜見圖3。由圖3可見，當保溫時間大於或等於4小時時，由20為43e47c處的單峰(200)R可以說明，該材料體系為菱方相結構。z為0.38，x為0.02，1180。C不同保溫時間所製備的壓電陶瓷斷面的電子掃描電鏡照片見圖4。在圖4中，圖4a是118(TC保溫1小時的壓電陶瓷,的電子掃描電鏡照片，圖4b是118(TC保溫2小時的壓電陶mS的電子掃描電鏡照片，圖4c是118(TC保溫3小時的壓電陶mM的電子掃描電鏡照片，圖4d是118(TC保溫4小時的壓電陶面的電子掃描電鏡照片，圖4e是U80。C保溫6小時的壓電陶瓷的電子掃描電鏡照片。由圖4可見，當陶瓷保溫時間低於4小時時，陶瓷不緻密，晶粒不均勻，並且氣孔較多；隨著保溫時間的增加，體系的晶界清晰，顆粒飽滿，晶粒生長均勻，見圖4d。以上實驗結果表明保溫時間為溫時間為16小時，戶賴恪的壓電陶瓷的各項性能指標較好，本發明選擇溫時間為16小時。3、Zr/Ti(Z/0.59-Z)比變4W壓電陶瓷電性能的影響按0.02Pb(Mg^2W1/2)03"0.01Pb(Sb1/2Nb1/2)Or0.38Pb(Ni1/3Nb2/3)QrPbo.59(ZrzTio.5^)Q3iKa行配料，實驗方法與實驗l相同，保溫4小時，將皿電極的試樣測試電容和介電損耗tan5。用準靜態測試儀測量壓電陶瓷成品的壓電常數《3，按公式(1)計算介電常數sr，按公式(2)計算密度，按公式(3)計算平面機電耦合係數Kp，按公式(4)計算機械品質因素Qm。測試和計算結果見表3。表3不同M^下zt/n比變化的陶瓷的電性能燒結溫度Zr/Ti《3Ontaiu5(。c)(g/cm3)(pC/N)(xl(X4)30/297.653190.443560.025999832/277.693260.483220.0233103936/237.765770.591960扁32441115038/217.827050.601540扁0318741/187.716830.541710.0211245347/127.673500.502770.0232128850/97.613380.482890.0264115530/297.71300.0.422550.0239176832/277.763090.462310.0226182636/237.796110.611890.02242795腦38/217.867640.701430磨8360441/187.786730.501600.0238254647/127.685230.472650週3245550/97.61柳0.412880.0275181230/297.553570.511910.0213167232/277.573630.551800扁3177736/237.735860.581620.01932898120038/217.756830.651500.0172359441/187.673770.501700細0338447/127.603290.451930.0269237350/97.562990.392030.02872219由表3可見，當x為0.02、y為0.010,ZryTi比含量為30/2950/9，即0,302^0.50時，燒結溫度為11501200。C燒結4小時，在同一溫度下燒結的壓電陶瓷，Zr/Ti比從32/27增加到38/21時，壓電陶瓷的^3迅速增加；Zr/Ti比為38/21時，壓電常數《3達到最大值，其最大值為764pC/N，隨著Zr/Ti比從38/21增加到47/12時，^直線減小。密度、平面機電耦合係數《p、介電常數(、)與壓電常數^隨Zrm比變化趨勢基本相同。對同一組分而言，隨燒結溫度的增加，密度、Ap、《3和、都呈現先增加後減小的趨勢。當燒結溫度為U80。C、Zr/Ti為38/21時，它們同時達到最大值。On和tan3隨Zr/Ti比的變化趨勢基本與《3相反。當燒結溫度為1180°C、Zr/Ti為38/21時，0和tan(5同時獲得最小值，分別為143和0.0198。x為0.02，y為0.010，Zr/Ti比M為32/2741/18，1180。C燒結4小時所製備陶瓷的X射線圖譜見圖5。由圖5可見，當Zr/Ti比位於32/2736/23時，由45°附近的單峰(002)R可以說明體系均為菱方相結構。當Zr/Ti比位於38/2147/12時，單峰(002)R逐漸減小，逐漸變為分裂峰(002)r和(200)r的趨勢，並且峰強增加，說明該體系從菱方相過渡到四方相。x為0.02，y為0.010，Zr/Ti比含量為32/2741/18，1180。C燒結4小時所製備壓電陶瓷的電子掃描顯微電鏡照片見圖6。在圖6中，圖6a是1180°C燒結的Zr/Ti比為32/27壓電陶瓷的電子掃描電鏡照片，圖6b是1180°C燒結的Zr/Ti比為36/23壓電陶瓷的電子掃描電鏡照片，圖6c是1180°C燒結的Zr/Ti比為38/21壓電陶瓷的電子掃描電鏡照片，圖6d是1180'C燒結的Zr/Ti比為41/18壓電陶瓷的電子掃描電鏡照片，圖6e是1180。C燒結的Zr/Ti比為47/12壓電陶瓷的電子掃描電鏡照片。從圖6可見，隨著Zr/n比的增加，樣品的平均粒徑先增大後減小。當Zr/Tl比為32/27時，壓電陶瓷的晶粒不夠飽滿，大小不均勻，且燒結不夠緻密，晶粒平均尺寸為3.5Mm。當Zr/n比為38/21時，晶界清晰，氣L少，緻密性好，晶粒的平均尺寸增加為3.1Mm，繼難加Zr/Ti比時，晶粒分布不均勻，晶粒的平均尺寸增加至6.9^m。由以上的結果可見，z為038時，所製備的壓電陶瓷的性能最佳。4、Pb(Sb^Nt^)03含量對壓電陶瓷電性能的影響按0.02P,g函。)03-yPb(Sbi美/2A"(0.39-y)Pb(Nii/3Nb^)QrPbo.59(ZiWri(^)03通式配料，實驗方法與實驗l相同，燒結保溫時間4小時，將燒過電極的壓電陶瓷測試電容和介電損耗tanS。用準靜態測試儀測量壓電陶瓷成品的壓電常數《3，按公式(1)計算介電常數&，按公式(2)計算密度，按公式(3)計算平面機電耦合係數Kp，按公式(4)計算機械品質因素On。測試和計算結果見表4。表4不同燒結溫度下不同Pb(Sb1/2Nb1/2)03含量的陶瓷的電性能燒結溫度摻雜量POntan3(。c)(mol)(g/cm3)(PC/N)(xlO勺0細7.596260.58610.020939100.0067.77655，0.65520.0218421811200細7.827070.69460.023743140.0157.706830.64490.020141510扁7.656500.60530.019841280.0407.626440.57590.022139810扁7.667310.61490.021641180.0067.798110.70450.0223470911500細7.868330.72420.024348430.0157.727920.67470.023846020扁7.687430.64530.022442520扁7.617110.61580.025641690細7.576220.55600.020341100遍7.646340.59560.0225432012000細7.756900.64490細046280.0157.676640.61570.018945880.0307.606370.59610.017340130扁7.576190.53680.01683987由表4可見，隨著Pb(SbmM^)03含量的增加，壓電陶瓷的密度呈先增加後下降的趨勢，含量為0.010即y為0.010時，壓電陶瓷的密度達最大，為7.86g/cm3(是理論密度的98%)，賴小於0.010時，隨Pb(Sb^2Nb^Q3賴的增加，壓電陶瓷的壓電常數43^I增加，賴為0.010時j&S大值，之後壓電常數d33隨Pb(Sb!/2Nb^A含量的增加M^KQ^.04時戶熵恪的壓鵬瓷的性倉,，本發明離y為0^0.04。5、測試溫度穩定性按0.02PbCMg^Ww)Or0.01Pb(Sb^Nl^)Qr0.38Pb(N^N^3)Cb-Pba59(ZrWri02003通式配料，實驗方法與實驗l相同，燒結保溫時間4小時，將燒過電極的試樣在-2012(TC測試電容和介電損耗tanS。按公式(1)計算介電常數&，按公式(3)計算平面機電耦合係數Kp，按公式(4)計1械品質因素0。按公式(5)計算諧振頻率溫度穩定性，按公式(6)計算平面機電耦合係數皿穩定性，按公式(7)計算容量溫度穩定性，按公式(8)計算機械品質因數溫度穩定性。表達式如下formulaseeoriginaldocumentpage18式中,為-20~120°C時的諧振頻率，A,為頻率差cformulaseeoriginaldocumentpage18(6)式中《P為-2(M20。C時的平面機電耦合係數，A《p為平面機電耦合係數差。AC/C(25°C)=C-C(25°C)xl00%(7)C(25。C)式中C為-2(K120。C時的容量，厶C為容量差。A化/gm(25。C)=gm。》5:C)x100%(8)式中On為-2(M20°C時的機^品質因數，AOn為機械品質因數。計算結果見表表5115(TC燒結不同Pb(Sb^Nb^)03含量的陶瓷的溫度穩定性tableseeoriginaldocumentpage19從表5中可以看出，隨著Pb(Sb^M^)03含量的增加，容量鵬特性、頻率溫度特性(4^25。c)、機電耦合系ir皿特性(z/i:/^p25r)和機械品質因數、皿特性(」0/0^。c)的鄉樹值先降低後增加。對於同一組分，隨著離的增加，ZlC/C25。C、4/^mc、^:/《p25。c、」a/G^。c的絕對值呈先較小後增加的趨勢。當Pb(Sb^Nb^)O3含量為0.10mol時，在不同溫度的』C/C25.c、Z/^25.C、Z^jAp25。c、ZOr/On25。c獲得最佳值，未含有Pb(Sb1/2Nb1/2)03壓電陶瓷的溫度穩定性見表6。表6118(TC燒結0molPb(Sb1/2Nb1/2)03含量的壓電陶瓷的iM穩定性tableseeoriginaldocumentpage20由表5、表6可見，當含有0.010molPb(Sb^M^)03、在115(TC燒結的壓電陶瓷的鵬穩定性與未含有Pb(Sb^M^)03、在118(TC燒結的陶瓷相比，115(TC燒結含有0.010的Pb(Sb1/2Nb1/2)03陶瓷的溫度穩定性最佳。x為0.02、Zr/Ti比為38/21(z為0.38)、y為0.00~0.030，1150。C燒結4小時的不同Pb(Sb1/2Nb1/2)03含量壓電陶瓷的X射線圖譜見圖7。由圖7可見，所有組分都為純銬鈦礦相結構，當y從0.00到0.010時，沒有惡化性能的焦綠石相和第二相雜相的出現；2e為43。47。處的分裂峰(002)r和(200)r逐漸合併為單峰(002)R，說明該體系從四方相過渡到菱方相。x為0.02、Zr/Ti比為38/21(z為0.38)、y為0.000~0.030，1150。C燒結4小時的不同PKSb^Nb!/2)03^i壓電陶瓷斷面的電子掃描電鏡照片見圖8。在圖8中，圖8a是1150T燒結的0.000molPKSb^Nt^)03含量壓電陶瓷斷面的電子掃描電鏡照片，圖8b是1150。C燒結的0.006molPb(Sb^N^/2P3含量壓電陶瓷斷面的電子掃描電鏡照片，圖8c是1150aC燒結的0.010molPb(Sb^Nb^)03含量壓電陶瓷斷面的電子掃描電鏡照片，圖8d是1150。C燒結的0.015molPb(Sb^Nb^)03含量壓電陶瓷斷面的電子掃描電鏡照片，圖8e是1150°C燒結的0.030molPb(Sb^Nb^)03含量壓電陶瓷斷面的電子掃描電鏡照片。從圖8可以看見，未含有Pb(Sb^Nb^)03的壓電陶瓷，其晶粒細小，晶粒尺寸約為0.902.10邦左右，晶粒之間的氣L較多，壓電陶瓷緻密性差，晶界不清晰;隨著Pb(Sb^Nb^)03含量的增加，壓電陶瓷的晶粒逐漸變大，Pb(Sb^NbJ03含量為0.0060.010mol時，晶粒尺寸約為1.62.0pm，晶粒比較均勻，晶界清晰，緻密性好。但Pb(Sb^Nbv2)03含量超過0.010mol時，壓電陶瓷的晶粒逐漸減小。權利要求1、一種驅動器用含鈮銻酸鉛的五元系壓電陶瓷材料，其特徵在於用通式xPb(Mg1/2W1/2)O3-yPb(Sb1/2Nb1/2)]O3-(0.41-x-y)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb0.59(ZrzTi0·59-z)O3表示的材料組成，式中0.005≤x≤0.07，0≤y≤0.04，0.30≤z≤0.50。2、按照權利要求1所述的驅動器用含鈮銻酸鉛的五元系壓電陶瓷材料，其特徵在於在通式xPbCMg^Wv^OryPbKSb^M^^OHO^l-x-^PKN^Nb^XVPbo.59(ZrJlo.妙z)03表示的材料中，其中0.01，.04，0.006^0.03，0.32，.41。3、按照權利要求1阮述的驅動器用含鈮銻酸鉛的5^;系壓電陶瓷材料，其特徵在於在通式xPbCMg^W^XVyPKSb^N^^OHCMl-x-WPbCN^DCVPba59(ZrzTio.59.z)03表示的材料中，其中x為0.02、y為0.01、z為0.38。4、一種製備權利要求1所述的驅動器用含鈮銻酸鉛的五元系壓電陶瓷材料的製備方法，其特徵在於它包括下述步驟(1)配料合成按上艦式化學it4的Pb304、Zr02、T102、Mg(OH)2.MgC03.6H20、W03、Sb205、Nb205、NiO混合，^A尼龍罐中，加入無水乙醇為分散劑和氧化鋯球為球磨介質，^7jC乙醇與原料的重量比為1:2，用球磨機球磨612小時，繊為400轉/分，分離氧化鋯球，將混合料放入^P燥箱內8(TC、510小時烘乾，再^A石，中研磨30分鐘，過80目篩；(2)預燒糊開磨後的料置於氧化鋁坩堝內，用瑪瑙棒壓實，使其松裝密度達到1.5g/cm3,加蓋，在電阻爐內80085(TC預燒保溫24小時，自然冷卻到室溫，出爐；(3)造粒將，過的燒i，ff^研細過160目篩，加入重量濃度為5%的聚乙烯,液和丙三醇溶液，原料與5%的聚乙烯醇溶液、丙三醇的重量比為l:0.0680.072:0.00970.013，充分攪拌，自然乾燥，過120目的篩，製成球狀粉粒；(4)壓片'將造粒後的粉料方M直徑為15mm的不鏽鋼模具內，在100Mpa壓力下壓成1.5mm的圓柱狀坯fh(5)排膠將坯件放入電阻爐內，50(TC保溫1小時進行有機物排除；(6)燒結糊服坯件mA氧化鋁柑堝內，蓋上氧化鋁坩堝蓋進行密封，升鵬度25。C/分鐘，在11201200。C保溫16小時，隨爐自然冷卻到室溫；(7)燒銀將燒結好的陶瓷表面打磨，拋光至0.81.2畫厚，用功率為100w的超聲波清洗機、頻率為50kHz的超聲波清洗30分鐘，烘箱內80。C烘乾，在其上下表面塗覆厚度為0.010.03mm的銀漿，置於電阻爐中85(TC保溫30，，自然冷卻至室溫；(8)極化將燒，的試樣置於甲基矽油中加熱至120180°C，施力卩3kV/mm5kV/mm的直流高壓，持續1530分鐘，製備成壓電陶瓷。5、按照權利要求4所述的驅動器用含鵬弟酸鉛的五元系壓電陶瓷材料的製備方法，其特徵在於在燒結工藝步驟(6)中，將排膠坯件駄氧化鋁坩堝內，蓋上氧化鋁坩堝蓋進行密封，升溫速度25。C/，，其中在11501200。C保溫25小時，隨爐自然冷卻到室溫；在極化工藝步驟(8)中，將燒好銀的試樣置於甲基矽油中其中加熱至120160"C，施加3kV/mm4kV/mm的直流高壓，持續2030分鐘，製備成壓電陶瓷。、6、按照權利要求4所述的驅動器用含鈮銻酸鉛的五元系壓電陶瓷材料的製備方法，其特徵在於在燒結工藝步驟(6)中，將排膠坯件放入氧化鋁坩堝內，蓋上氧化鋁坩堝蓋進行密封，升鵬度25。C/^H中，其中在118(TC保溫4小時，隨爐自然冷卻到室溫；在極化工藝步驟(8)中，將燒好銀的試樣置於甲基矽油中其中加熱至12(TC，施加3.5kV/mm的直流高壓，持續25分鐘，製備成壓電陶瓷。全文摘要一種驅動器用含鈮銻酸鉛的五元系壓電陶瓷材料，用通式xPb(Mg1/2W1/2)O3-yPb(Sb1/2Nb1/2)]O3-(0.41-x-y)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb0.59(ZrzTi0.59-z)O3表示的材料組成，式中0.005≤x≤0.07，0≤y≤0.04，0.30≤z≤0.50。其製備方法包括配料合成、預燒、造粒、壓片、排膠、燒結、燒銀、極化工藝步驟，工藝步驟簡單、重複性好、成品率高。採用本發明製備的壓電陶瓷經測試，壓電常數為600～850pC/N、機電耦合係數為0.55～0.75、室溫相對介電常數為3500～5000。本發明壓電陶瓷材料可用於製備汽車內置的振動傳感器、控制器殼體、動態燃料注射噴嘴、大功率超聲器件、高溫高頻振動計、高溫流量計、耐高溫分蜂鳴器、高溫傳感器、驅動器等器件。文檔編號H01L41/24GK101302105SQ20081015017公開日2008年11月12日申請日期2008年6月30日優先權日2008年6月30日發明者晁小練,楊祖培申請人:陝西師範大學