二元鐵電固溶體鈮鑥酸鉛-鈦酸鉛的製備方法

2023-10-06 16:59:59

專利名稱：二元鐵電固溶體鈮鑥酸鉛-鈦酸鉛的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種二元弛豫鐵電固溶體的製備方法。具體而言，本發明涉及到一種二元具有MPB結構且居裡溫度相對較高的弛豫鐵電陶瓷材料鈮鑥酸鉛-鈦酸鉛的製備方法。
背景技術：
鐵電/壓電陶瓷材料是一種具有壓電性能的固熔體材料，是功能器件的重要組成。其具有性能優異、價格便宜、易於批量生產等優點，已被廣泛應用於社會生產的各個領域並處於絕對的優勢支配地位。PZT (Pb(ZivxTix)O3)陶瓷是一種廣泛應用於醫學超聲換能 器、水聲換能器、驅動器以及超聲馬達等方面的傳統壓電材料。自20世紀50年代以來在壓電應用領域起著重要的作用。主要是由於PZT陶瓷存在準同型相界(MPB)，且MPB區域居裡溫度高、壓電性強、穩定性好等優點，更重要是很容易通過摻雜改性以滿足不同的需要。隨著MPB研究的深入，新的MPB在Re I axor_PT材料中被發現。弛豫鐵電體可以形成固溶體並且表現出比PZT更優良的介電、壓電性能，其中比較典型的就是(1-X)Pb (Mgl73Nb273) -XPbTiO3 (PMNT)和(I_x) Pb (Zn1/3Nb2/3)-XPbTiO3 (PZNT)體系。該類單晶材料組分在MPB附近表現出高的機電耦合係數(k33 > 90%)、超高壓電係數(d33 > 2000pC/N)和大的應變(>1%)而成為新一代的超聲換能器、傳感器和驅動器的核心壓電材料。儘管PMNT和PZNT具有這些優異的性質，但其相對低的居裡溫度和更低的三方四方相變溫度使這些材料容易退極化，進而降低了其壓電性使用溫度範圍。為了克服這種缺陷，近年來國際上主要通過摻雜改性來解決，此外也有一些其他高居裡溫度、高性能的二元壓電體系被研究，例如 PSN-PT、PYN-PT, PIN-PT 等。鈮鑥酸鉛(PLN)陶瓷為典型的反鐵電體，在270° C發生順電相-反鐵電相變，可以與PT形成準同型相界區域。Pb (Lu1/2Nb1/2) O3-XPbTiO3 (PLN-PT或PLNT)是目前具有居裡點相對較高的弛豫鐵電體，之前我們課題組做了大量關於PLNT單晶和陶瓷的研究，PLNT單晶表現出了超高的居裡溫度和較好的壓電性能(E:360°C，d33"l630pc/N, k33^0. 8)，PLNT在高溫領域的壓電應用方面，將表現出巨大的前景和價值。基於此，我們想通過改進傳統的PLNT合成工藝，來進一步提高PLNT陶瓷的性能。研究PLNT 二元鐵電體系的合成，開展對PLNT 二元體系不同組分的結構和介電、壓電性能的系統研究，以求獲得綜合性能優異的新型鐵電/壓電材料。

發明內容
本發明的目的在於通過改良製備方法從而製備具有更高性能的純鈣鈦礦相的二元弛豫鐵電固溶體PLNT，本發明提供了一種兩步合成法製備工藝，該工藝能有效抑制製備過程中燒綠石相的形成，得到具有純鈣鈦礦相的二元弛豫鐵電固溶體P LN-PT0本發明解決其技術問題所採用的技術方案是(I)前驅體鈮酸鑥(LuNbO4)的合成按照相應的化學式的化學計量比，將氧化鐠(Lu2O3)和氧化鈮(Nb2O5)混合(其中Lu2O3過量1%)研磨，1150°C煆燒2h，得到前驅體LuNbO4 ；(2)純鈣鈦礦相的二元鐵電固溶體鈮鑥酸鉛-鈦酸鉛的製備將得到的LuNbO4與PbO, TiO2按照化學計量比稱重混合(其中PbO過量2%)研磨，煅燒溫度為850-950°C，保溫4h，得到鈣鈦礦結構的PLNT預合成粉末；將預合成粉末加無水乙醇手工研磨2h，加入3-5wt% 的 PVA，烘乾，20-30MPa 壓片，300-500°C排膠 1-3 小時，然後在 950° C-1lOO0 C 共燒，保溫3h，得到鈣鈦礦結構的PLNT 二元陶瓷。本發明的有益效果是，有效地抑制了製備過程中燒綠石相的形成，得到的PLN-PT二元陶瓷具有純的鈣鈦礦相，陶瓷燒結質量好，晶粒均勻緻密，性能良好。
具體實施方式
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實施例一(O.59PLN-0. 41PT)按照化學式以O. Olmol配料。分別稱量Lu203、Nb205，將其置於瑪瑙研缽中，加無水乙醇手工研磨2h ;烘乾，在20Mpa下壓片；然後置於有蓋的坩堝中煅燒，在1150°C反應2h ；稱量得到的LuNbO4前驅體與按照相應的比例稱量的PbO、TiO2，在瑪瑙研缽中，加無水乙醇手工研磨2h ;烘乾，20Mpa壓片；在800°C反應4h ;得到O. 59PLN-0. 41PT的陶瓷粉體。將得到的陶瓷粉體在在瑪瑙研缽中，加無水乙醇手工研磨2h，加入3_5wt%的PVA，研磨均勻；烘乾，在25Mpa下壓成直徑10mm，厚度O. 5-1. 5mm的圓片；在300°C排塑3h ;燒結方式採用埋燒，將其置於密閉坩堝中，並且埋入同組分的預合成的粉末中，在950°C燒結，保溫3h ;得到的陶瓷呈淡黃色。實施例二(O.58PLN-0. 42PT)按照化學式以O. Olmol配料。在1000°C燒結，保溫3h ;其他步驟如實施例一。實施例三(O.57PLN-0. 43PT)按照化學式以O. Olmol配料。在1030°C燒結，保溫3h ;其他步驟如實施例一。實施例四(O.56PLN-0. 44PT )按照化學式以O. Olmol配料。在1050°C燒結，保溫3h ;其他步驟如實施例一。實施例五(O.55PLN-0. 45PT)按照化學式以O. Olmol配料。在1060°C燒結，保溫3h ;其他步驟如實施例一。實施例六(O.54PLN-0. 46PT)按照化學式以O. Olmol配料。在1070°C燒結，保溫3h ;其他步驟如實施例一。實施例七(O.53PLN-0. 47PT)按照化學式以O. Olmol配料。在1080°C燒結，保溫3h ;其他步驟如實施例一。實施例八(O.52PLN-0. 48PT)按照化學式以O. Olmol配料。在1100°C燒結，保溫3h ;其他步驟如實施例一。實施例九(陶瓷的結構確定)採用X射線粉末衍射，確定陶瓷的結構。具體測試條件為室溫下，測量角度範圍為10-80°，採用的步長為O. 02° (2 Θ )，每分鐘7°。測試結果顯示所有的組分結構都為純鈣鈦礦相，未見焦綠石等雜項，分析得到該二元體系具有MPB結構,範圍為X = 0.48-0.50。
權利要求
1.兩步合成法製備純鈣鈦礦結構的二元鐵電固溶體鈮鑥酸鉛-鈦酸鉛，其特徵在於包括以下步驟 (O前驅體鈮酸鑥(LuNbO4)的合成按照相應的化學式的化學計量比，將氧化鑥(Lu2O3)和氧化鈮(Nb2O5)混合研磨，煅燒，得到前驅體LuNbO4 ； (2)純鈣鈦礦相的二元鐵電固溶體鈮鑥酸鉛-鈦酸鉛((l-x)Pb (Lul72Nbl72)O3-XPbTiO3(O < χ < I)或PLN-PT或PLNT)的製備將得到的LuNbO4與Pb。、TiO2按照化學計量比稱重混合研磨煅燒，得到鈣鈦礦結構的PLNT預合成粉末；將預合成粉末研磨，成型，烘乾，排膠，燒結，得到鈣鈦礦結構的PLNT 二元陶瓷。
2.如權利要求1所述的兩步合成法製備PLNT陶瓷，其特徵在於第一步先合成前驅體LuNbO4，可以抑制燒綠石相的產生；第二步合成鈣鈦礦結構的PLNT預合成粉末。
3.如權利要求1所述的兩步合成法製備PLNT陶瓷，其特徵在於將氧化鑥(Lu2O3)和氧化鈮(Nb2O5)混合(其中Lu2O3過量1%)研磨，1150°C煅燒2h，得到前驅體LuNb04。
4.如權利要求1所述的兩步合成法製備PLNT陶瓷，其特徵在於第一步合成的前驅體LuNbO4與Pb0、Ti02按照化學計量比稱重(其中PbO過量2%)混合置於密閉坩堝中煅燒，煅燒溫度為850-950°C，保溫4h。
5.如權利要求1所述的兩步合成法製備PLNT陶瓷，其特徵在於在研缽中預合成粉末加無水乙醇手工研磨2h，加入3-5wt%的PVA，烘乾，20-30MPa壓片，300-500°C排膠1-3小時，然後在950° C-11000 C共燒，保溫3h。
6.如權利要求1所述的兩步合成法製備PLNT陶瓷，其特徵在於煅燒得到的是具有鈣鈦礦結構的鈮鑥酸鉛-鈦酸鉛陶瓷粉體。
全文摘要
本發明公布兩步合成法製備二元鐵電固溶體鈮鑥酸鉛-鈦酸鉛。該工藝分兩步合成陶瓷粉體第一步先合成前驅體鈮酸鑥(LuNbO4)；第二步將LuNbO4與 氧化鉛(PbO)、氧化鈦(TiO2)混合研磨，煅燒得到鈣鈦礦結構的PLNT的預合成粉末，再將預合成粉末研磨，成型，排塑，然後埋燒從而得到純鈣鈦礦相PLNT二元固熔體。本發明是合成PLNT二元弛豫鐵電陶瓷的有效方法，能夠很好的抑制燒綠石的形成，得到純鈣鈦礦相的陶瓷，該工藝還可以用於PLN基三元或多元弛豫鐵電陶瓷固溶體製備。
文檔編號C04B35/50GK103011816SQ20121051983
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月6日 優先權日2012年12月6日
發明者劉穎, 龍西法, 沈東全, 李修芝, 王祖建, 何超 申請人:中國科學院福建物質結構研究所