專利名稱：高溫高靈敏度壓電陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫高靈敏度壓電陶瓷材料及其制備方法，屬陶瓷組成與 制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
振動量的大小反映了物體、設(shè)備的運行狀況好壞，對振動量的檢測，幾乎 涉及到每個工程領(lǐng)域。要檢測振動就要有振動測量儀，就少不了振動傳感器。 能在一定溫度下正常工作的壓電加速度傳感器已被廣泛應(yīng)用于眾多重要的科研 和工業(yè)部門，來實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)測。
在石油測井領(lǐng)域，新一代多極陣列聲波測井儀器是聲波測井的最新技術(shù)， 可以測量軟、硬地層中充液井孔中的縱波、橫波和斯通利波的波速、各種波動 模式的衰減。為了滿足我國復(fù)雜油氣勘探和開發(fā)的需要，近年來我國斥巨資直
接請斯侖貝謝測井公司來華服務(wù)，并引進了 30多套包括多極子陣列聲波成像儀 (MAC、 XMAC)和低頻偶極橫波測井儀(LFD)在內(nèi)的成像測井系統(tǒng)，但是對于 高端、先進的測井技術(shù)國外卻對我國采取嚴(yán)格的保密措施。因此，開發(fā)具有我 國自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代多極陣列聲波測井儀，對于我國打破西方發(fā)達國家對 測井技術(shù)的壟斷，大幅度地降低勘探成本，趕超世界測井技術(shù)的先進水平具有 重要意義。
目前，中石油和中海油正致力于新一代多極陣列聲波測井儀器的研發(fā)。用 作接收聲波的單極子接收壓電換能器是新一代多極陣列聲波測井儀器的一種核 心部件。由于測井作業(yè)的特殊環(huán)境，這類換能器不僅要滿足聲波測井在聲學(xué)特 性方面的要求，更重要的是要能夠在高溫高壓下穩(wěn)定工作。近年來，盡管國內(nèi) 有少數(shù)幾家單位也在單極子接收壓電換能器方面做了積極的探索，但至今所研 制的壓電換能器還存在靈敏度偏低、分辨率不高以及在高溫下性能不穩(wěn)定等突 出問題，不能真正滿足井下勘探的使用要求，其關(guān)鍵是缺少能在高溫、高壓環(huán) 境下可長期穩(wěn)定工作的壓電陶瓷材料，因此，高溫高靈敏度壓電陶瓷材料的研 發(fā)己成為新一代多極陣列聲波測井儀開發(fā)過程中遇到的一個重要技術(shù)瓶頸。
3綜上所述，高溫高靈敏度壓電陶瓷材料作為一種關(guān)乎國計民生的重要材料， 已被眾多科研和工業(yè)部門迫切需求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高溫高靈敏度壓電陶瓷材料，采用多種鈣鈦礦 結(jié)構(gòu)化合物的固熔體結(jié)構(gòu)配方
xPbZr03+yPbTi03+zPbNb03+mSrTi03+nLaTi03+awt.%Si02+bwt%Cr203+cw t.%Nb205+dwt.%La203;其中，x=0.4~0.6; y=0.4~0.5; z=0.001 0.05; m=0.0 0.05; n=0.01~0.05; x+y+z+m+n=l; a=0~0.5; b=0~0.5; c=0 0.5; d=0~0.5。
具體制備方法是
以Pb304 (工業(yè)純)、Zr02 (工業(yè)純)、Ti02 (工業(yè)純)、SrC03 (工業(yè)純)、 Nb205 (工業(yè)純)、La203 (化學(xué)純)、Cr203 (化學(xué)純)、Si02 (化學(xué)純)為原料，
按 xPbZr03+yPbTi03+ zPbNb03+mSrTi03+nLaTi03+awt.%Si02+bwt.%Cr203+cwt%Nb205+d wt.%La203 的配比進行稱量，其中，x=0.4 0.6; y=0.4~0.5; z=0.001~0.05; m=0.0 ~0.05; n=0.(H~0.05; x+y+z+m+n=l; a=0 0.5; b=0~0.5; c=0 0.5; d=0 0.5;
用去離子水和瑪瑙球作為介質(zhì)，經(jīng)滾桶球磨6 10h，出料烘干后進行 600°C-700°C/0.5-4h的第一段壓塊合成，然后，再進行70(TC-卯(TC/0.5-4h的第 二段壓塊合成，再粉碎經(jīng)滾桶球磨12 48h、出料烘干、加粘結(jié)劑、成型(成型 壓力為150MPa -200MPa)、排塑、燒結(jié)(126(TC-132(TC/l-4h)、冷加工、超聲清 洗、上電極、極化(120。C-200。C， 3-7kv/mm,10-60min)、老化處理等工藝，最后 進行相關(guān)性能測試，即可得到供使用的壓電陶瓷元件。
本發(fā)明的效果是獲得了一種綜合性能非常優(yōu)良的壓電陶瓷材料，其材料
標(biāo)準(zhǔn)片的主要性能為d33=500pC/N， e33T/s。=1800， g33=31.4、 tgS=1.5， Kp=0.62、 Qm=60,Tc=352°C， pv(200°C) =7.8xl08Q'cm;本發(fā)明材料具有使用溫度高(可達 200°C)、靈敏度(g33=31.4)高、接收信號強，穩(wěn)定性好的特點。
具體實施例方式
下面通過實施例進一步闡明本發(fā)明的具體制備和材料的特點。 實施例1
以Pb304 (工業(yè)純)、Zr02 (工業(yè)純)、Ti02 (工業(yè)純)、SrC03 (工業(yè)純)、Nb205 (工業(yè)純)、La203 (化學(xué)純)、Cr203 (化學(xué)純)、Si02 (化學(xué)純)為原料， 按 0.53PbZrO3+0.38PbTiO3+ 0.01PbNbO3+0.05SrTiO3+0.03LaTiO3+0.05wt.%SiO2+0.04wt.%Cr2O3+0.03wt.%Nb2 Os的化學(xué)計量稱量，用去離子水和瑪瑙球作為介質(zhì)，經(jīng)滾桶球磨8h，出料烘干 后進行650°C/2h的第一段壓塊合成，再進行85(TC/2h的第二段合成，經(jīng)粉碎后 滾桶球磨24h、出料烘干、加粘結(jié)劑、成型(成型壓力為150MPa)、排塑(80(TC/lh)、 燒結(jié)(130(TC/2)、冷加工、超聲清洗、氧化處理、上電極、極化(18(TC， 3.5kv/mm,30min)、老化處理(200°C/2h)等工藝，最后進行相關(guān)性能測試。材 料標(biāo)準(zhǔn)片的主要性能是d33=485pC/N， s33T/e。=1850， g33=29.6、 tgS=1.8， Kp=0.61、 Qm=65、 Tc=343°C, pv(200°C;)=2.3xl08Q-cm;
實施例2
以Pb304 (工業(yè)純)、Zr02 (工業(yè)純)、Ti02 (工業(yè)純)、SrC03 (工業(yè)純)、 Nb205 (工業(yè)純)、La203 (化學(xué)純)、Cr203 (化學(xué)純)、Si02 (化學(xué)純)為原料， 制 備 工 藝 同 實 施 例1 ，按 照
5wt.%Cr203 +0.04^.%1^203的化學(xué)配方進行制備。得到材料標(biāo)準(zhǔn)片的主要性能 是d33=492pC/N， s33T/s。=1824， g33=30.5、 tg5=1.7, Kp=0.615、 Qm=63，Tc=348°C， pv(200。C)=4.7xl08Q,cm;
實施例3
以Pb304 (工業(yè)純)、Zr02 (工業(yè)純)、Ti02 (工業(yè)純)、SrC03 (工業(yè)純)、 Nb205 (工業(yè)純)、La203 (化學(xué)純)、Si02 (化學(xué)純)為原料，制備工藝同實施例 1 ， 按 照
0.53PbZrO3+0.425PbTiO3+0.005PbNbO3+0.01SrTiO3+0.03LaTiO3+0.05wt.%SiO2+0 .04wt.%Nb2O5+0.05wt.%La2O3的化學(xué)配方進行制備。材料標(biāo)準(zhǔn)片的主要性能是 d33=500pC/N、 e33T/s。=1800、 g33=31.4、 tg5=1.5、 Kp=0.62、 Qm=60、 Tc=352°C、 pv(200°C)=7.8xl08Q.cm;
表l本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較
材料 來源材料 名稱性能
d33(PC/N) S33t/e0tanS(%)g33KpQm
5本發(fā)明P53500l謹(jǐn)1.531.40.6260
美國Morgan Matroc公司PZT5R45019502.0250.64580
美國Morgan Matroc公司PZT5A37417002.024.80.6075
美國Morgan Matroc公司PZT5B40520002.022.90.6075
香港功能陶瓷有限公司PSN-5140016002.0240.6090
香港功能陶瓷有限公司Plis-5155020002.0280,65卯
Gsram Tec公司SonoxP545018502.027.50.6290
權(quán)利要求
1、高溫高靈敏度壓電陶瓷材料，其組成式為xPbZrO3+yPbTiO3+zPbNbO3+mSrTiO3+nLaTiO3+awt.％SiO2+bwt.％Cr2O3+cwt.％Nb2O5+dwt.％La2O3；其中，x＝0.4～0.6；y＝0.4～0.5；z＝0.001～0.05；m＝0.0～0.05；n＝0.01～0.05；x+y+z+m+n＝1；a＝0～0.5；b＝0～0.5；c＝0～0.5；d＝0～0.5。
2、 按權(quán)利要求l所述的高溫高靈敏度壓電陶瓷材料的制備方法，包括下述 步驟(1) 以Pb304、 Zr02、 Ti02、 SrC03、 Nb205、 La203、 Cr203、 Si02為原料，按xPbZr03+yPbTi03+zPbNb03+mSrTi03+nLaTi03+awt.%Si02+bwt%Cr203+cwt%Nb205+dwt.%La203 的配比進行稱量，其中，x=0.4 0.6; y=0.4^0.5; z=0.001~0.05; m=0.0 ~0.05; n=0.01~0.05; x+y+z+m+n=l; a=0~0.5; b=0~0.5; c=0 0.5; d=0~0.5;(2) 用去離子水作為介質(zhì)，經(jīng)球磨6 10h，出料烘干后壓塊合成，粉碎、 烘干、成型、排塑、燒結(jié)。
3、 按權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述的壓塊合成條件為先 進行60(TC-70(TC/0.5-4h的第一段壓塊合成，然后，再進行700°C-900°C/0.5-4h的第二段壓塊合成。
4、 按權(quán)利要求2或3所述的制備方法，其特征在于，所述的成型壓力為 150MPa -200MPa。
5、 按權(quán)利要求2或3所述的制備方法，其特征在于，所述的燒結(jié)條件為 126(TC-1320。C保溫l-4h。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高溫高靈敏度壓電陶瓷材料及其制備方法，屬陶瓷組成與制備領(lǐng)域。本發(fā)明的其組成式為xPbZrO<sub>3</sub>+yPbTiO<sub>3</sub>+zPbNbO<sub>3</sub>+mSrTiO<sub>3</sub>+nLaTiO<sub>3</sub>+awt.％SiO<sub>2</sub>+bwt.％Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+cwt.％Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>+d wt.％La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>；其中，x＝0.4～0.6；y＝0.4～0.5；z＝0.001～0.05；m＝0.0～0.05；n＝0.01～0.05；x+y+z+m+n＝1；a＝0～0.5；b＝0～0.5；c＝0～0.5；d＝0～0.5。本發(fā)明在傳統(tǒng)壓電陶瓷工藝基礎(chǔ)上進行改進制備，主要性能為d<sub>33</sub>＝500pC/N，ε<sub>33</sub><sup>T</sup>/ε<sub>o</sub>＝1800，g<sub>33</sub>＝31.4、tgδ＝1.5，Kp＝0.62、Qm＝60，Tc＝352℃，ρ<sub>v</sub>(200℃)＝7.8×10<sup>8</sup>Ω·cm；本發(fā)明材料具有使用溫度高(可達200℃)、靈敏度(g<sub>33</sub>＝31.4)高、接收信號強，穩(wěn)定性好的特點。
文檔編號C04B35/49GK101456732SQ20081020522
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者烈 姚, 張仲猷, 朱懷志, 李玉臣, 董顯林 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所