專利名稱：：一種燒結(jié)溫度低的高效壓電陶瓷材料及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及壓電陶瓷及其制備工藝領(lǐng)域，尤其涉及一種鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷，適用于壓電陶瓷蜂鳴片、多層壓電揚聲器、多層壓電執(zhí)行器(actuator)。
背景技術(shù)：
：PZT壓電陶瓷是是將二氧化鉛、鋯酸鉛、鈦酸鉛在高溫下燒結(jié)而成的多晶體，廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域，但現(xiàn)有技術(shù)的PZT壓電陶瓷燒結(jié)溫度大多在130(TC左右，鉛揮發(fā)嚴(yán)重，不僅影響材料性能，更是污染環(huán)境，研究低溫?zé)Y(jié)有著重大意義①減少鉛揮發(fā)，避免陶瓷的組成偏離設(shè)計組成；②減少環(huán)境污染；③節(jié)省能源，延長設(shè)備使用壽命；在多層壓電器件中，可減少使用Pt、Pd等貴金屬的用量，甚至可以使用Ag、Ni、Cu等賤金屬作為電極，大大降低器件的成本。期刊《硅酸鹽學(xué)報》2006年第4期，低溫?zé)Y(jié)PZT-0.5%PbO-W03壓電陶瓷一文中，公開了一種低溫?zé)Y(jié)的壓電陶瓷，其燒結(jié)溫度為IIO(TC，介電常數(shù)為1593，d33=364pC/N，Kp=0.596，其壓電性太低，不能用于制備大功率多層揚聲器。專利申請?zhí)枮?00410016324.0的中國發(fā)明專利，公開了"摻雜鈮錳酸鉛_鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料及其制備工藝"，其燒結(jié)溫度為105(TC-125(TC，由于其壓電性能低，不能用于制造大功率壓電陶瓷揚聲器。
發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種燒結(jié)溫度低、壓電性能高的壓電陶瓷。本發(fā)明的另一目的是提供所述壓電陶瓷的制備工藝。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的—種燒結(jié)溫度低的高效壓電陶瓷材料，包括主要成份和輔助成份，所述主要成份化學(xué)式為L尸VW她6J((碼/3揚2/3MZ"1/3M>2/3W7V々,。3(i)其中Me為Ba、Ca、Sr中的任一種或兩種元素，且0.97《a《1.05，0.03《b《0.10，0.05《c《0.15，0.05《d《0.15，0.35《e《0.45，0.35《f《0.45，且c+d+e+f=1;以主要成分的總重量為100%添加以下輔助成份0.008%0.1%Si02或0.008%0.1%H3B03或兩者的混合物；0.10%0.60%的Sb205或Sb203;0.10%0.60%的Bi203或81205;0.03%0.20%Li2C05或Na2C03或兩者的混合物；%0.2%CuO。本發(fā)明提供的壓電陶瓷中優(yōu)選下列含量的主要成分和輔助成份所述主要成份化學(xué)式為Pb0.995_008Sr005Ba003(Ni1/3Nb2/3)008(Zn1/3Nb2/3)012Ti040Zr04003(2)以主要成分的總重量為100%添加以下輔助成份0.05%Si02和0.05%H3B03的混合物、0.30%的Sb203、0.40%的Bi205、0.15%的Li2C03、0.15%的CuO?！N制備所述壓電陶瓷材料的制備工藝，包括下述步驟按主要成分的化學(xué)式配料，在混合后的主要成分中添加以下輔助成分CuO、Si02或H3B03或兩者的混合物、Sb205或Sb203、Bi203或Bi205、Li2C03或Na2C03;將上述陶瓷原料與去離子水一起投入行星球磨機(jī)中，混合610小時后出料，烘干；將上述步驟所得混合原料在780°C80(TC預(yù)燒23小時，將得到的預(yù)燒粉末與去離子水混合，用行星球磨機(jī)610小時，直到d5?！?.40iiM，d9?！?.60iiM，烘干；將烘干粉體加入聚乙烯醇溶液，造粒，干壓成型；排膠，燒結(jié)，所述燒結(jié)溫度為890°C950°C;將燒結(jié)后的產(chǎn)品磨平面，然后進(jìn)行絲網(wǎng)印刷銀漿，燒銀；將燒銀后的產(chǎn)品進(jìn)行極化，極化后放置24小時，即得到所述壓電陶瓷。本發(fā)明中主要成分^《。,M^j{(M1/3M>2/3)t.(Z"1/3M)2/3L}77e^vO^:0.97《a《1.05，若a<0.97，燒結(jié)性下降，燒結(jié)溫度上升，同時與化學(xué)計量比偏差過大，容易生成非均相，壓電性能惡化，若a〉1.05，則Pb含量過高，燒結(jié)產(chǎn)品的壓電性能下降，對環(huán)境污染嚴(yán)重；0.03《b《0.10，若b<0.03，壓電陶瓷材料的介電常數(shù)及壓電應(yīng)變常數(shù)d33偏低，若b>0.l，壓電陶瓷材料的居里點下降且燒結(jié)性能下降；0.05《c《0.15，0.05《d《0.15，若c<0.05，d<0.05，則壓電陶瓷材料的介電常數(shù)、壓電應(yīng)變常數(shù)d33不夠大，若c>0.15，d>0.15，則壓電陶瓷材料的居里點下降很大，而且如果Nb205含量大，因為Nb205價格高，所以會增加壓電陶瓷材料的成本；0.35《e《0.45，0.35《f《0.45，保持壓電陶瓷的組成在相界面(MPB)附近，保證壓電陶瓷有較大的介電常數(shù)及較高的壓電應(yīng)變常數(shù)。在主要成分中添加適量的Si02或H3B03、CuO、Bi203或Bi205、Li2C03或Na2C03、Sb205或Sb203，主要目的是為了形成低共熔物，形成液相，在燒結(jié)前期形成的液相能很好的潤濕陶瓷顆粒，加速燒結(jié)傳質(zhì)的過程，使得快速擴(kuò)散到晶格，從面降低燒結(jié)溫度，在燒結(jié)后期，所述添加劑大多進(jìn)入晶格，從而提高壓電陶瓷的壓電性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，按本發(fā)明所述配方及制備工藝生產(chǎn)的壓電陶瓷，壓電性能顯著提高，其介電常數(shù)為3500-4800，介質(zhì)損耗<2%，平面機(jī)電耦合系數(shù)>65%，壓電應(yīng)變常數(shù)d33>550PV/N，機(jī)械品質(zhì)因子Qm為50-150，在保持上述高壓電性能的目的，燒結(jié)溫度也降至89(TC-95(TC，最佳溫度范圍為91(rC-93(rC，本發(fā)明提供的壓電陶瓷，具有節(jié)能環(huán)保，成本低，性能高等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其適用于壓電陶瓷揚聲器及大功率壓電蜂鳴片。具體實施例方式下面將結(jié)合具體實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明，在此本發(fā)明的示意性實施例以及說明用來解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。實施例1:Pb0.97—0.10Sr0.10(Ni1/3Nb2/3)0.05(Zn1/3Nb2/3)0.15Zr0.35Ti0.4503(1)主要成分為Pb304、Zr02、Ti02、SrC03、NiC03、Zn0、Nb205，按化學(xué)式(1)的配方稱量，以上述主要成份總重量為100%，添加下列添加劑0.008%H3B03、0.60%的513205、0.10%的Bi203、0.03%的Li2C03、0.2%CuO;然后，將上述陶瓷原料與去離子水一起投入行星球磨機(jī)中，混合6-10小時后出料，烘干，其中行星球磨過程中，混合料球水=i:3.5:o.7;將混合原料在780°C-SO(TC預(yù)燒2-3小時，將得到的預(yù)燒粉末與去離子水混合，用行星球磨機(jī)6-10小時，直到d5?！?.40iim，d9?！?.60ym，烘干;將烘干粉體中加入重量比為5%10%、濃度為6%10%的聚乙烯醇溶液，造粒，干壓成型；排膠，燒結(jié)，燒結(jié)的溫度范圍為890°C_950°C;將燒結(jié)后的產(chǎn)品磨平面，然后進(jìn)行絲網(wǎng)印刷銀漿，燒銀；極化，極化溫度為IO(TC_150°C，極化電場為2KV-4KV極化時間為10-15min，放置24小時。放置24小時后測試其介電性能和壓電性能，其性能如下<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實施例2:Pb0.995—0.08S:r0.05Ba0.03(Ni1/3Nb2/3)0.08(Zn1/3Nb2/3)0.12Ti0.40Z:r0.4003(2)主要成分為Pb304、Zr02、Ti02、SrC03、BaC03、NiC03、ZnO、Nb205，按化學(xué)式(2)的配方稱量，以上述主要成份總重量為100%，添加下列添加劑0.05%Si02和0.05%H3B03的混合物、0.30%的Sb203、0.40%的Bi205、0.15%的Li2C03、0.15%的CuO;然后，將上述陶瓷原料與去離子水一起投入行星球磨機(jī)中，混合6-10小時后出料，烘干，其中行星球磨過程中，混合料球水=i:3.5:o.9;將混合原料在780°C-SO(TC預(yù)燒2-3小時，將得到的預(yù)燒粉末與去離子水混合，用行星球磨機(jī)6-10小時，直到d5?！?.40iim，d9?！?.60iim，烘干；將烘干粉體中加入重量比為5%10%、濃度為6%10%的聚乙烯醇溶液，造粒，干壓成型；排膠，燒結(jié)，燒結(jié)的溫度范圍為890°C_950°C;將燒結(jié)后的產(chǎn)品磨平面，然后進(jìn)行絲網(wǎng)印刷銀漿，燒銀；極化，極化溫度為100°C_150°C，極化電場為2KV-4KV極化時間為10-15min，放置24小時。放置24小時后測試其介電性能和壓電性能，其性能如下<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實施例3PbL05—0.03Ba0.03(Ni1/3Nb2/3;>0.15(Zn1/3Nb2/3;>0.05Ti0.45Zr0.3503(3)主要成分為Pb304、Zr02、Ti02、BaC03、NiC03、ZnO、Nb205，按化學(xué)式(3)的配方稱量，以上述主要成份總重量為100%，添加下列添加劑0.1%的Si02、0.10%的Sb205、0.60%的Bi203、0.2%的Na2C03、0.08%的CuO;然后，將上述陶瓷原料與去離子水一起投入行星球磨機(jī)中，混合6-10小時后出料，烘干，其中行星球磨過程中，混合料球水=i:3.5:o.8;將混合原料在780°C-SO(TC預(yù)燒2-3小時，將得到的預(yù)燒粉末與去離子水混合，用行星球磨機(jī)6-10小時，直到d5?！?.40iim，d9?！?.60ym，烘干;將烘干粉體中加入重量比為5%10%、濃度為6%10%的聚乙烯醇溶液，造粒，干壓成型；排膠，燒結(jié)，燒結(jié)的溫度范圍為890°C_950°C;將燒結(jié)后的產(chǎn)品磨平面，然后進(jìn)行絲網(wǎng)印刷銀漿，燒銀；極化，極化溫度為IO(TC_150°C，極化電場為2KV-4KV極化時間為10-15min，放置24小時。放置24小時后測試其介電性能和壓電性能，其性能如下<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實施例4:PbL00—o.10Sr0.06Ca0.04(Ni1/3Nb2/3)0.10(Zn1/3Nb2/3)0.10Ti0.38Zr0.4203(4)主要成分為Pb304、Zr02、Ti02、SrC03、CaC03、NiC03、ZnO、Nb205，按化學(xué)式(4)的配方稱量，以上述主要成份總重量為100%，添加下列添加劑0.008%的Si02、0.30%的Sb205、0.40%的Bi205、0.10%的Li2C03和0.05%的Na2C03的混合物、0.10%的CuO;然后，將上述陶瓷原料與去離子水一起投入行星球磨機(jī)中，混合6-10小時后出料，烘干，其中行星球磨過程中，混合料球水=i:3.5:o.7;將混合原料在780°C-SO(TC預(yù)燒2-3小時，將得到的預(yù)燒粉末與去離子水混合，用行星球磨機(jī)6-10小時，直到d5?！?.40iim，d9。《0.60ym，烘干;將烘干粉體中加入重量比為5%10%、濃度為6%10%的聚乙烯醇溶液，造粒，干壓成型；排膠，燒結(jié)，燒結(jié)的溫度范圍為890°C_950°C;將燒結(jié)后的產(chǎn)品磨平面，然后進(jìn)行絲網(wǎng)印刷銀漿，燒銀；極化，極化溫度為IO(TC_150°C，極化電場為2KV-4KV極化時間為10-15min，放置24小時。放置24小時后測試其介電性能和壓電性能，其性能如下<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>以上對本發(fā)明實施例所提供的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明實施例的原理以及實施方式進(jìn)行了闡述，以上實施例的說明只適用于幫助理解本發(fā)明實施例的原理；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實施例，在具體實施方式以及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。權(quán)利要求一種燒結(jié)溫度低的高效壓電陶瓷材料，其特征在于所述壓電陶瓷包括主要成份和輔助成份，所述主要成份化學(xué)式為其中Me為Ba、Ca、Sr中的任一種或兩種元素，且0.97≤a≤1.05，0.03≤b≤0.10，0.05≤c≤0.15，0.05≤d≤0.15，0.35≤e≤0.45，0.35≤f≤0.45，且c+d+e+f＝1；以主要成分的總重量為100％添加以下輔助成份0.008％～0.1％SiO2或0.008％～0.1％H3BO3或兩者的混合物；0.10％～0.60％的Sb2O5或Sb2O3；0.10％～0.60％的Bi2O3或Bi2O5；0.03％～0.20％Li2CO3或Na2CO3或兩者的混合物；0.08％～0.2％CuO。F2009101928261C00011.tif2.如權(quán)利要求1所述的燒結(jié)溫度低的高效壓電陶瓷材料，其特征在于所述壓電陶瓷包括主要成份和輔助成份，所述主要成份化學(xué)式為Pb。995-0osSfo05Bao03(N"/3Nb2/3)o08(Zn^Nb^)0i2Ti04oZr04003(2)以主要成分的總重量為100%添加以下輔助成份0.05%Si02和0.05%H3B03的混合物、0.30%的Sb203、0.40%的Bi205、0.15%的Li2C03、0.15%的CuO。3.—種制備權(quán)利要求1或2所述的壓電陶瓷材料的制備工藝，其特征在于所述工藝包括下述步驟按主要成分的化學(xué)式配料，在混合后的主要成分中添加以下輔助成分CuO、Si(^或H3B03或兩者的混合物、Sb205或Sb203、Bi203或Bi205、Li2C03或Na2C03;將上述陶瓷原料與去離子水一起投入行星球磨機(jī)中，混合610小時后出料，烘干；將上述步驟所得混合原料在780°C80(TC預(yù)燒23小時，將得到的預(yù)燒粉末與去離子水混合，用行星球磨機(jī)610小時，直到d5?！?.40iiM，d90《0.60yM，烘干；將烘干粉體加入聚乙烯醇溶液，造粒，干壓成型；排膠，燒結(jié)，所述燒結(jié)溫度為890°C950°C;將燒結(jié)后的產(chǎn)品磨平面，然后進(jìn)行絲網(wǎng)印刷銀漿，燒銀；將燒銀后的產(chǎn)品進(jìn)行極化，極化后放置24小時，即得到所述壓電陶瓷。4.如權(quán)利要求3所述的壓電陶瓷材料的制備工藝，其特征在于將主要成分Pb304、Zr02、Ti02、BaC03/CaC03/SrC03中的任一種或者兩種、NiC03、ZnO、Nb205按主要成分的化學(xué)式配料。5.如權(quán)利要求3所述的壓電陶瓷材料的制備工藝，其特征在于所述行星球磨過程中，混合料球水=i:3.5:(o.7-o.9)。6.如權(quán)利要求3所述的壓電陶瓷材料的制備工藝，其特征在于所述極化條件為將烘干粉體中加入重量比為5%10%、濃度為6%10%的聚乙烯醇溶液。7.如權(quán)利要求3所述的壓電陶瓷材料的制備工藝，其特征在于所述極化條件為溫度為100°C15(TC，極化電場為2KV4KV，極化時間為1015min。全文摘要本發(fā)明公開了一種燒結(jié)溫度低、壓電性能高的壓電陶瓷及其制作工藝。所述壓電陶瓷包括主要成分和輔助成分，所述主要成分化學(xué)式為其中Me為Ba、Ca、Sr中的任一種或兩種元素，所述輔助成分為SiO2或H3BO3或兩者的混合物、Sb2O5或Sb2O3、Bi2O3或Bi2O5、Li2CO3或Na2CO3或兩者的混合物、CuO。所述制作工藝為配料、球磨、烘干、預(yù)燒、球磨、造粒、成型、排膠、燒結(jié)、刷銀、燒銀、極化。本發(fā)明提供的壓電陶瓷，具有節(jié)能環(huán)保，成本低，性能高等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其適用于壓電陶瓷揚聲器及大功率壓電蜂鳴片。文檔編號C04B35/622GK101712548SQ20091019282公開日2010年5月26日申請日期2009年9月30日優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日發(fā)明者姜德星申請人:廣州市番禺奧迪威電子有限公司