一種a位複合取代高壓電常數的壓電陶瓷材料及製備方法

2023-07-06 10:40:01

一種a位複合取代高壓電常數的壓電陶瓷材料及製備方法
【專利摘要】本發明提供一種A位複合取代高壓電常數的壓電陶瓷材料，其特徵在於：材料的組成為Pb1-e-f-BaeLaf(Ni1/3Nb2/3)x(Zn1/3Nb2/3)yZrmTinO3＋awt％Al2O3+bwt％Sb2O3+cwt％Fe2O3+dwt％Bi2O3，式中：0.04≤e+f≤0.2，0.05≤x+y≤0.3，且x+y+m+n＝1，a＝0～0.5，b＝0～0.5，c＝0～0.5，d＝0～0.5，這種壓電陶瓷材料的製備方法，包括配料、混料、預燒合成、粉碎細磨、成型、排膠燒結、上電極極化等，這種材料通過A位複合取代，輔之以適當的摻雜配合，使壓電常數能夠大幅提高，具有相對介電常數εT33/ε0、壓電常數d33和d31高的特點，其機電耦合係數Kp=0.6～0.75，機械品質因數Qm＜50，本發明的材料可應用於多種壓電傳感器和執行器。
【專利說明】—種A位複合取代高壓電常數的壓電陶瓷材料及製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及壓電陶瓷及其製備工藝領域，特別涉及一種A位複合取代高壓電常數的壓電陶瓷材料及製備方法。
【背景技術】
[0002]隨著科技的發展，壓電陶瓷已廣泛應用於日常消費、汽車工業、通訊設備、醫療器械、工業機械、儀器儀表、光學與光電子、新型能源、智能精密機械等領域、近年來特別是作為傳感器和執行器的器件在這些領域的應用增長較快，對高性能壓電陶瓷材料的需求也更大，尤其對高壓電常數的陶瓷材料需求尤為迫切，這類材料用於各種高靈敏度的發射及接收器(如高性能B超成像用換能器)、雙壓電晶片執行器(如紡織機械用壓電賈卡)、多層壓電執行器(如智能精密光學執行器)等器件，這些器件又形成相應的系統應用於以上領域，促進了這些領域經濟的發展，也帶動了壓電陶瓷行業的經濟發展。
[0003]專利號為CN2009100459098文獻報導了一種高壓電常數d33和d31、低壓電常數g31的壓電陶瓷材料，但這種材料需在特製的坩鍋裡進行通氧燒結才能達到好的性能，不太適合量產要求，同時製作成本也相應提高了。國內外也有主成分為鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料的報導，但壓電常數指標都不高，無法滿足高性能材料指標的要求。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的就是為克服上述【背景技術】的不足，提供了一種運用A位複合取代方式的高壓電常數的壓電陶瓷材料，這種材料便於製作，適合大規模生產，其特徵在於:材料的組成為:Pb卜^fBaeLaf(Niv3Nb2iZ3)x(Znv3Nb2iZ3)yZrmTinO3 + awt % Al203+bwt % Sb203+cwt %Fe203+dwt% Bi2O3,式中:0.04 ^ e+f ^ 0.2,0.05 ^ x+y < 0.3,且 x+y+m+n = I, a = O ~0.5，b = 0 ~0.5，c = 0 ~0.5，d = 0 ~0.5。
[0005]本發明的優選方案的材料組成為=Pb1IfBaeLaf(Niiy3Nlv3)x(Znv3Nlv3)yZrmTinO3+awt % Al203+bwt % Sb203+cwt % Fe203+dwt % Bi2O3,式中:e=0.06, f=0.06, x+y=0.2~0.24,m+n = 0.76~0.8,且 x+y+m+n = I, a = 0.02~0.05, b = 0.1 ~0.3, c = 0.05 ~0.1, d =0.3 ~0.4。
[0006]本發明A位複合取代高壓電常數的壓電陶瓷材料的製備方法，包括配料、混料、預燒合成、粉碎細磨、成型、排膠燒結、上電極極化等，其特徵在於:採用包括如下工藝步驟方法:
按主要成分的化學式計算配料稱量，原料為Pb304、BaCO3> ZrO2, TiO2, NiO, Nb2O5, La203、Al203、Sb203、Fe203、Bi2O3混料按照原料:瑪瑙球:去離子水=1:1~1.5:0.8~1.5的比例在行星球磨機中混料2~5h，烘乾。
[0007]將混合後的原料放入坩鍋中在850~1000°C的溫度條件下預燒合成2~4h，粉碎後細磨按照原料:瑪瑙球:去離子水=1:1~1.5:0.8~1.5的比例在行星球磨機中磨4~IOh,烘乾。[0008]將粉末進行流延後疊層等靜壓成型或造粒幹壓成型，流延粘結劑為10~20wt%的PVB，疊層等靜壓成型壓力為25~40MPa，造粒粘結劑重量比為6~IOwt %的PVA，幹壓成型壓力100~200MPa，再經排膠後燒結得到陶瓷體，燒結溫度為1250°C~1350°C，保溫I ~3h0
[0009]將燒結後的陶瓷體磨平面後進行絲網印刷銀漿，再燒銀後極化，燒銀溫度為750~810°C，保溫時間10~15min，極化溫度為80~150°C，電場2~4Kv/mm，時間為10~15min，極化後放置24h，即可得到所述壓電陶瓷。
[0010]對主成分A位用Ba對Pb進行適當範圍的取代，可以提高壓電常數等壓電指標，由於鋇離子半徑與鉛離子半徑相近(Ba2+半徑為135pm，Pb2+半徑為119pm)，化學價與鉛原子相同，Ba2+進入晶格後將取代A位的Pb2+，鋇離子取代鉛離子後，將使晶體中產生晶格畸變，使晶胞體積增大(a軸和c軸都略有伸長)，一般說來，一個取代離子可以引起附近幾十個晶胞發生畸變，這樣有利於極化時電疇的定向排列，特別是作90°轉向非常困難的電疇也變得轉向容易，因此取代後這種適度的晶格畸變，可使材料的壓電性得到充分發揮，促使壓電材料性能提聞。
[0011 ] 對主成分A位用La進行一定範圍的取代，同樣可以提高壓電常數等壓電指標，一方面，由於La的離子半徑較鋇離子和鉛離子半徑都大，會使晶體的晶格畸變加劇，提高壓電性，另一方面，由於La2O3為軟性添加物，La3+取代Pb2+後，根據電中性的要求，樣品中會出現鉛空位。晶胞出現鉛空位後，晶格產生畸變，這樣，電疇壁運動比較容易進行，在相當小的電場下或機械力的作用下，就能使疇壁運動，也提高了材料的壓電性。
[0012]同時進行 Ba2+和La3+複合取代Pb2+，將兩者進行適當的配比，可以更大範圍發揮其增大壓電常數的作用，在一定範圍內晶格畸變更大，因此壓電性能提升更大；同時輔助摻雜A1203、Sb2O3> Fe203> Bi2O3等，可以抵消二者過量摻雜帶來的不利影響，填補一些由於某些畸變過大產生的晶格空穴，可以增大電疇轉向產生晶格位移，使微小的晶格形變在宏觀上表現更大，壓電性又會進一步的提升。
[0013]本發明的優點在於:通過A位複合取代，輔之以適當的摻雜配合，使壓電常數能夠大幅提高，可以獲得相對介電常數ε τ33/ε ^ = 7020，壓電常數d33=930，d31=403，機電耦合係數Kp= 0.6~0.75，機械品質因數Qm < 50的高壓電常數壓電材料，本發明的陶瓷材料不需要進行通氧燒結等工藝，無需特殊設備和苛刻條件，可以採用傳統工藝製作，工藝步驟簡單成熟，製作方式可操作性強，能實現大批量規模化生產，產品一致性和工藝重複性好，可用於多種傳感器和執行器領域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1:實施例一樣品的SEM微觀結構圖。
[0015]圖2:實施例三樣品的SEM微觀結構圖。
【具體實施方式】
[0016]下面通過實施例對本發明作進一步的描述，但本發明並不限於實施例。
[0017]實施例一
以Pb3O4 (工業純)、BaCO3 (工業純)、ZrO2 (工業純)、TiO2 (工業純)、Nb2O5 (分析純)、La2O3 (分析純)、A1203 (化學純)為原料，按材料配方組成為 Pb。.D2Baaci4Laatl4 (Ni1/3Nb2/3)Q.12(Zni/3Nb2/3)Cll2Zra39Tia37O3 + 0.1wt% Al2O3 的化學計量進行配料稱量。
[0018]混料採用瑪瑙球和去離子水作為介質，按照料:球:水=1:1.5:1.2的比例，將稱料後的原料在行星球磨機中混料4h，再出料過篩，分離瑪瑙球，然後在120°C的烘箱中乾燥充分。
[0019]將乾燥後的原料放入坩鍋中，蓋好蓋子防止PbO揮發，在900°C、20°C的溫度條件下預燒合成3h，將預燒後的塊體粉碎，過40目篩，仍以瑪瑙球和去離子水作為介質，按照料:球:水=1:1.5:1.2的比例在行星球磨機中磨8h，再出料過篩，分離瑪瑙球，然後在120°C的烘箱中幹 燥充分。
[0020]將粉末進行造粒幹壓成型，造粒粘結劑重量比為6~7wt%的PVA，幹壓成型壓力為170~180MPa，壓製成Φ11Χ0.9mm的標準片，再經排膠後燒結得到陶瓷體的標準片，燒成升溫速度300~350°C /h，燒結溫度為1280°C~1300°C，保溫1.5h。
[0021]將燒結後的陶瓷體標準片磨平，經清洗後進行絲網印刷銀漿，再燒銀後極化，燒銀溫度為810°C，保溫時間lOmin，極化溫度為80~120°C，電場3Kv/mm，時間為15min，極化後經清洗乾燥後放置24h，再進行性能測試。樣品的SEM微觀結構見圖1，壓電性能見表1。
[0022]表1:實施例一壓電陶瓷性能參數表
【權利要求】
1.一種A位複合取代高壓電常數的壓電陶瓷材料，其特徵在於:材料的組成為Pb^rf-BaeLaf(Ni1Z3Nb2Z3)x(Zn1Z3Nb2Z3)yZrmTinO3 + awt% Al203+bwt% Sb203+cwt % Fe203+dwt%Bi2O3,式中:0.04 ≤ e+f ≤ 0.2,0.05 ≤ x+y≤0.3,且 x+y+m+n = l,a = 0~0.5,b = 0~0.5, c = 0 ~0.5, d = 0 ~0.5。
2.—種權利要求1所述的A位複合取代高壓電常數的壓電陶瓷材料，其特徵在於:材料的組成為 Plve十BaeLaf (NiljZ3Nb2iZ3)x(ZnliZ3Nb2iZ3)yZrmTinO3 + awt% Al203+bwt% Sb203+cwt%Fe203+dwt% Bi2O3,式中:e=0.06, f=0.06, x+y=0.2~0.24, m+n = 0.76~0.8,且 x+y+m+n =1,a = 0.02^0.05, b = 0.1 ~0.3, c = 0.05 ~0.1, d = 0.3 ~0.4。
3.—種權利要求1所述的A位複合取代高壓電常數的壓電陶瓷材料的製備方法，包括配料、混料、預燒合成、粉碎細磨、成型、排膠燒結、上電極極化等，其特徵在於:採用包括如下工藝步驟方法: 按主要成分的化學式配料，原料為 Pb304、BaCO3> ZrO2, TiO2, NiO, Nb2O5, La203、A1203、Sb203、Fe203、混料按照原料:瑪瑙球:去離子水=1:1~1.5:0.8~1.5的比例在行星球磨機中混料2~5h，烘乾； 將混合後的原料放入坩鍋中在850~1000°C的溫度條件下預燒合成2~4h，粉碎後細磨按照原料:瑪瑙球:去離子水=1:1~1.5:0.8~1.5的比例在行星球磨機中磨4~IOh,烘乾； 將粉末進行流延後疊層等靜壓成型或造粒幹壓成型，流延粘結劑為10~20wt %的PVB，疊層等靜壓成型壓力為25~40MPa，造粒粘結劑為6~IOwt %的PVA，幹壓成型壓力100~200MPa，再經排膠後燒結得到陶瓷體，燒結溫度為1250°C~1350°C，保溫I~3h ; 將燒結後的陶瓷體磨平面後進行絲網印刷銀漿，再燒銀後極化，燒銀溫度為750°C~810°C，保溫時間10~15min，極化溫度為80~150°C，電場2~4Kv/mm，時間為10~15min，極化後放置24h，即可得到所述壓電陶瓷。
【文檔編號】C04B35/622GK103724013SQ201310731182
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月26日 優先權日:2013年12月26日
【發明者】蹇勝勇, 馮小東 申請人:重慶勝普昂凱科技有限公司