專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高壓電應(yīng)變常數(shù)壓電陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓電應(yīng)變常數(shù)壓電陶瓷材料及其制備方法，更確切地說(shuō)涉及一種高壓電應(yīng)變常數(shù)d33、高介電常數(shù)ε、高機(jī)電耦合系數(shù)Kp和Kt、低泊松比σ、低機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm的壓電陶瓷材料及其制備方法，主要應(yīng)用于各種壓電陶瓷換能器和醫(yī)學(xué)超聲等方面，屬于壓電陶瓷材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷材料由于其特有的不同能量形式之間的轉(zhuǎn)換效應(yīng)，已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理、信息處理、通訊、聲納、水聲器、激光器、微位移器以及醫(yī)學(xué)超聲等行業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域中。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)以及微電子技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)壓電陶瓷材料的性能要求也越來(lái)越高；例如超聲成像(B超)診斷技術(shù)已成為防治心血管疾病及內(nèi)臟器官腫瘤等的必不可少的技術(shù)，這一技術(shù)的核心部件是寬頻帶、高靈敏度超聲換能器；但目前這種換能器所使用的壓電陶瓷材料的壓電應(yīng)變常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)都比較小，這就限制了“B超”換能器的靈敏度和帶寬。又如疊層式壓電陶瓷微位移器，它是把一定數(shù)量的薄片壓電陶瓷晶片進(jìn)行機(jī)械串排列和電氣并聯(lián)連接，在不考慮彈性項(xiàng)的情況下，微位移器縱向尺寸變化可表示為ΔL＝d33nv式中，d33是壓電陶瓷晶片的壓電應(yīng)變常數(shù)，n是壓電晶片數(shù)，v是所施加的電壓；由上式可見(jiàn)，微位移器縱向尺寸變化量ΔL與壓電應(yīng)變常數(shù)d33成正比，d33越高，微位移器縱向尺寸變化量ΔL就越大。然而，目前市場(chǎng)獲得的高壓電應(yīng)變常數(shù)壓電陶瓷材料情況有Morgan公司的PZT-5K型壓電陶瓷材料，其壓電應(yīng)變常數(shù)d33870pc/N；ε6200；Kp0.68；Qm65；TRS公司的HK1型壓電陶瓷材料，其壓電應(yīng)變常數(shù)d33800pc/N；ε6300；Kp0.69；Kt0.47；б0.26；Qm120；CTS公司的3203HD型壓電陶瓷材料，其壓電應(yīng)變常數(shù)d33650pc/N；ε3800；Kp0.75；Kt0.55；б0.31；Qm30；保定宏聲聲學(xué)器材廠(chǎng)的P5H型壓電陶瓷材料，其壓電應(yīng)變常數(shù)d33670pc/N；ε5800；Kp0.65；Kt0.46；б0.33；Qm70；發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是基于上述技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用需求，提出一種高壓電應(yīng)變常數(shù)d33、高介電常數(shù)ε、高機(jī)電耦合系數(shù)Kp和Kt、低泊松比б、低機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm的壓電陶瓷材料及其制備方法。
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Ti-Zr)O3系統(tǒng)壓電陶瓷材料在準(zhǔn)同型相界(MPS)附近有異常突出的壓電和介電性能，產(chǎn)生強(qiáng)壓電性的主要原因是在準(zhǔn)同型相界處，材料的結(jié)構(gòu)一般為三方和四方相兩相共存，三方相有8個(gè)可能的極化方向，四方相有6個(gè)可能的極化方向，在兩相共存的相界處就有14個(gè)可能的極化方向，有利于電疇沿電場(chǎng)方向取向；另外，在相界處結(jié)構(gòu)中的空位及缺陷較多，受到外電場(chǎng)的作用時(shí)，電疇易于取向，可出現(xiàn)大的極化性質(zhì)；再是，三方和四方相兩種晶體結(jié)構(gòu)的能量很接近，當(dāng)外界條件變動(dòng)時(shí)，如施加電場(chǎng)或應(yīng)力，則發(fā)生一種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大，另一種結(jié)構(gòu)的縮小，正是這種結(jié)構(gòu)活動(dòng)性使得相界附近的組成具有壓電性和介電性的極大值。
本發(fā)明提出的材料組成通式為Pb1-ySry(Mg1/3Nb2/3)xTimZrnO3+pwt％La2O3+qwt％NiO；式中0.2＜x＜0.3；0.05＜y＜0.1；0.3＜m＜0.4；0.3＜n＜0.4；0.5＜p＜1.1；0.05＜q＜0.2；在上述配方組成中，x、y、m、n為摩爾數(shù)，且x+m+n＝1；而p和q則是以Pb1-ySry(Mg1/3Nb2/3)xTimZrnO3為基準(zhǔn)外加的重量百分?jǐn)?shù)。
本發(fā)明的制備工藝步驟為根據(jù)上述配方組成，按化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料，Sr以Sr(Mg1/3Nb2/3)O3或氧化物或碳酸鹽或硝酸鹽的形式加入，其余原料以氧化物或碳酸鹽或硝酸鹽的形式加入。
用瑪瑙球作為研磨介質(zhì)，濕法球磨混料8-10小時(shí)，濕料烘干后壓塊合成，壓力為60-120Mpa；合成溫度在820-900℃保溫2-5小時(shí)，合成料塊經(jīng)粗粉碎后再用瑪瑙球作為研磨介質(zhì)，濕法球磨24小時(shí)，出料烘干后加入1-3wt％PVA(聚乙烯醇)粘結(jié)劑造粒，粘結(jié)劑的加入量是以合成的壓電陶瓷材料經(jīng)濕法球磨烘干后粉料為基準(zhǔn)加入的；干壓成型壓力為120-150Mpa，成型坯體在820-900℃保溫2-5小時(shí)排膠，然后將素坯置于Al2O3坩堝中，在氧化氣氛中以2-3℃/分鐘的速率升溫至1300-1400℃，通氧流量為0.5-2l/min，保溫2-5小時(shí)燒結(jié)，將燒結(jié)瓷體加工成要求的尺寸，經(jīng)超聲清洗后烘干，并置于800-900℃爐溫中保持1-3小時(shí)氧化處理，通氧流量為0.5-2l/min。然后上電極極化和性能測(cè)試。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用本發(fā)明的材料配方組成和制備工藝，可以獲得壓電應(yīng)變常數(shù)d331050pc/N、介電常數(shù)ε6600、機(jī)電耦合系數(shù)Kp0.73、Kt0.53、泊松比б0.23及機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm為20-30左右的高壓電應(yīng)變常數(shù)壓電陶瓷材料，其綜合性能顯然高于現(xiàn)有材料的性能指標(biāo)。


無(wú)
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例的形式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，但并非僅局限于實(shí)施例。
實(shí)施例1材料組成為
Pb0.91Sr0.09(Mg1/3Nb2/3)0.25Ti0.372Zr0.378O3+0.7wt％La2O3+0.15wt％NiO根據(jù)上述配方組成，按化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料1000g，用瑪瑙球作為研磨介質(zhì)，濕法球磨混料8小時(shí)，出料烘干后，以80Mpa的壓力壓塊合成，合成條件為870℃保溫3小時(shí)，合成料塊經(jīng)粗碎后再用瑪瑙球作為研磨介質(zhì)，濕法球磨24小時(shí)，料烘干后加入1wt％PVA(聚乙烯醇)粘結(jié)劑造粒，粘結(jié)劑的加入量是以合成的壓電陶瓷材料經(jīng)濕法球磨后烘干粉料為基準(zhǔn)加入的；干壓成型壓力為150Mpa，將成型坯體置于排膠爐中，緩慢升溫至860℃保溫2小時(shí)排膠，然后將素坯放入Al2O3坩堝中，加蓋后置于氧氣氛燒結(jié)爐內(nèi)，以2-3℃/分鐘的速率升溫至1335℃，保溫3小時(shí)燒結(jié)，將燒結(jié)瓷體加工成φ17×1mm尺寸，經(jīng)超聲清洗后烘干，并置于860℃爐溫中保持3小時(shí)氧化處理，取出后上電極極化和性能測(cè)試。壓電性能見(jiàn)表1實(shí)施例2材料組成為Pb0.93Sr0.07(Mg1/3Nb2/3)0.245Ti0.372Zr0.383O3+1.0wt％La2O3+0.1wt％NiO。
根據(jù)上述配方組成，按化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料1000g，用瑪瑙球作為研磨介質(zhì)，濕法球磨混料10小時(shí)，出料烘干后，以100Mpa的壓力壓塊合成，合成條件為850℃保溫3小時(shí)，合成料塊經(jīng)粗碎后再用瑪瑙球作為研磨介質(zhì)，濕法球磨24小時(shí)，料烘干后加入1wt％PVA粘結(jié)劑造粒，干壓成型壓力為120Mpa，將成型坯體置于排膠爐中，緩慢升溫至850℃保溫2小時(shí)排膠，然后將素坯放入Al2O3坩堝中，加蓋后置于氧氣氛燒結(jié)爐內(nèi)，以2-3℃/分鐘的速率升溫至1315℃，保溫2小時(shí)燒結(jié)，將燒結(jié)瓷體加工成φ17×1mm尺寸，經(jīng)超聲清洗后烘干，并置于880℃爐溫中保持2小時(shí)氧化處理，取出后上電極極化和性能測(cè)試。壓電性能見(jiàn)表2。
表1

表2

權(quán)利要求
1.一種高壓電應(yīng)變常數(shù)壓電陶瓷材料，其特征在于其組成式為Pb1-ySry(Mg1/3Nb2/3)xTimZrnO3+pwt％La2O3+qwt％NiO，式中0.2＜x＜0.3；0.05＜y＜0.1；0.3＜m＜0.4；0.3＜n＜0.4；0.5＜p＜1.1；0.05＜q＜0.2；x、y、m、n為摩爾數(shù)，且x+m+n＝1，p和q是以Pb1-ySry(Mg1/3Nb2/3)xTimZrnO3為基準(zhǔn)外加的重量百分?jǐn)?shù)。
2.按權(quán)利要求1所述的一種高壓電應(yīng)變常數(shù)壓電陶瓷材料，其特征在于所述的材料組成為Pb0.91Sr0.09(Mg1/3Nb2/3)0.25Ti0.372Zr0.378O3+0.7wt％La2O3+0.15wt％NiO。
3.按權(quán)利要求1所述的一種高壓電應(yīng)變常數(shù)壓電陶瓷材料，其特征在于所述的材料組成為Pb0.93Sr0.07(Mg1/3Nb2/3)0.245Ti0.372Zr0.383O3+1.0wt％La2O3+0.1wt％NiO。
4.一種高壓電應(yīng)變常數(shù)壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于包括下述步驟(1)按化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料；(2)濕法球磨混料，烘干后壓塊合成，合成條件為820-900℃保溫2-5小時(shí)；(3)合成料塊經(jīng)濕法球磨，烘干后加入聚乙烯醇粘結(jié)劑造粒，成型壓力為120-150Mpa；(4)成型后坯體在820-900℃保溫2-5小時(shí)排膠；(5)然后將素坯置于Al2O3坩堝中，在氧化氣氛中于1300-1400℃保溫2-5小時(shí)燒結(jié)；(6)燒結(jié)的瓷體置于800-900℃爐溫中保持1-3小時(shí)氧化處理。
5.按權(quán)利要求4所述的一種高壓電應(yīng)變常數(shù)壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于配料時(shí)，Sr以Sr(Mg1/3Nb2/3)O3或氧化物或碳酸鹽或硝酸鹽的形式加入，其余原料以氧化物或碳酸鹽或硝酸鹽的形式加入。
6.按權(quán)利要求4所述的一種高壓電應(yīng)變常數(shù)壓電陶瓷材料的制備方法，，其特征在于聚乙烯醇粘結(jié)劑加入重量為1-3％，它是以濕法球磨后烘干的粉料重量為基準(zhǔn)的。
7.按權(quán)利要求4所述的一種高壓電應(yīng)變常數(shù)壓電陶瓷材料的制備方法，，其特征在于燒結(jié)時(shí)升溫速度為2-3℃/分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高壓電應(yīng)變常數(shù)壓電陶瓷材料及其制備方法，屬于壓電材料領(lǐng)域。本發(fā)明提供的壓電陶瓷材料組成式為Pb
文檔編號(hào)C04B35/50GK1821173SQ200610024708
公開(kāi)日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2006年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月15日
發(fā)明者周學(xué)農(nóng), 陳鋼, 董顯林, 范曉榮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所