專利名稱：用于水聲換能器的壓電陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子材料及元器件領(lǐng)域，特別涉及一種用于水聲換能器的壓電陶瓷及 其制備方法。
背景技術(shù)：
水聲換能器在軍事上和民用上具有不容忽視的作用。在軍事上，搜索和跟蹤水下潛艇、水雷等目標(biāo)；在民用上，海底資源的探索，如水文測量、海底地質(zhì)地貌勘測、魚群探測， 尤其是海洋石油勘探。在水聲換能器中壓電水聲換能器是目前應(yīng)用最廣泛的一種，水聲換能器的性能很 大程度上取決于完成水聲信號接收與發(fā)射的壓電陶瓷的性能。根據(jù)工作狀態(tài)不同水聲換能 器可分為發(fā)射型換能器和接收型換能器。實際應(yīng)用中的水聲換能器經(jīng)常兼有發(fā)射和接收兩 種功能。因此，開發(fā)一系列高性能的收發(fā)兼用的壓電陶瓷振子，不但可滿足不同水聲換能器 系統(tǒng)技術(shù)和海軍艦艇裝備進度的要求，還可以提高艦艇測量精度和定位精度，對加強我國 海軍的作戰(zhàn)裝備能力具有現(xiàn)實意義；從民用角度來說，提高海洋探測能力，對開發(fā)海洋資源 具有積極的意義。對于接收型換能器，要求大的機電耦合系數(shù)(Kp)和壓電常數(shù)(d33)；對于發(fā)射型換 能器，則要求強電場下的高的機械品質(zhì)因子(Qm)和較小的介質(zhì)損耗(tan δ)，尤其是對于 大功率發(fā)射型換能器或大振幅超聲換能器。而作為近海使用的收發(fā)兼用水聲換能器則需要 壓電材料兼顧兩者的特點，即要求保證高的機電耦合系數(shù)和壓電常數(shù)的同時，盡可能提高 機械品質(zhì)因子和降低介質(zhì)損耗。同時滿足上述要求是相當(dāng)困難的，因為這些性能參數(shù)是相 互制約的。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，公開號為CN1349954的中國專利公開了用于超聲 馬達的銻鈮一猛鈮一錯一鈦酸鉛四元系壓電陶瓷，該陶瓷體系結(jié)合銻鈮鋯鈦酸鉛系和錳鈮 鋯鈦酸鉛系的特點，制備了綜合機電性能較好的壓電陶瓷。但該體系的不足之處是機電耦 合系數(shù)Kp較低，優(yōu)化的配方Kp僅有0. 49 ；壓電常數(shù)d33為312pC/N，也較低。超聲馬達的 工作特性要求首先保證高的機械品質(zhì)因子，而收發(fā)兼用的水聲換能器則首先保證高的機電 耦合系數(shù)和壓電常數(shù)，該體系難以在收發(fā)兼用的水聲換能器上應(yīng)用。檢索中還發(fā)現(xiàn)，公開號 為CN1061111的中國專利公開了用于壓電變壓器的鈮鎂酸鉛一鈮錳酸鉛一鋯酸鉛一鈦酸 鉛(Pb (Mgl73Nb273) O3-Pb (Mnl73Nb273) O3-PbZrO3-PbTiO3)四元系壓電陶瓷，對鈮鎂鋯鈦酸鉛和 鈮錳鋯鈦酸鉛進行了最佳組合和改性，從而獲得在大功率使用下性能優(yōu)異的四元系壓電陶 瓷材料，該四元系盡管機電耦合系數(shù)Kp達到0. 64，但壓電常數(shù)d33僅為311pC/N，較低。壓 電變壓器的工作狀況與超聲馬達相近，也是要求首先保證高的機械品質(zhì)因子，其次才是保 證壓電性能，該體系仍然不適合在收發(fā)兼用的水聲換能器上應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述的技術(shù)問題，提供一種具有良好的綜合機電性能壓電陶瓷。
本發(fā)明又一解決的技術(shù)問題，提供上述的具有良好的綜合機電性能壓電陶瓷的制 備方法。用于水聲換能器的壓電陶瓷，其特征在于，所述的壓電陶瓷由鈧鈮一錳鈮一鋯酸 鉛一鈦酸鉛(PSN-PMN-PZ-PT)四元系壓電陶瓷組成，所述的四元系摩爾百分比為3 18% Pb (Scl72Nbl72), 3 8% Pb (Mnl73Nb273), 40 49% PbZrO3,40 49% PbTi03。
其中，Pb位被1 5mo 1 % Sr2+取代。鈧鈮酸鉛(Pb (SC1/2Nb1/2) O3)是一種典型的馳豫鐵電材料，在馳豫鐵電體一鈦酸鉛 (PbTiO3)系統(tǒng)中，Pb(SCv2Nbv2)O3-PbTiO3(PSN-PT)在準(zhǔn)同型相界的組成擁有最高的機電耦 合系數(shù)(Kp = 0. 72)，Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-PbTiO3在準(zhǔn)同型相界的組成Kp = 0. 65。鈧鈮鋯鈦酸 鉛系(主成分為xPb(SC1/2Nb1/2)03-yPb&03-ZPbTi03)的特點是Kp值較高，燒結(jié)性好，例如 x = 0. 30，y = 0.26，ζ = 0.44的配方，Kp值高達0.67。鈧(Sc)的原子序數(shù)為21，位于元 素周期表的第4周期IIIA族，與3d型過渡族元素(Ti、V、Cr、Mn、Fe、C0、Ni)同周期，與La 系稀土金屬(RE)同族，它既是稀土金屬，又是過渡金屬(TE)，為此，鈧顯示了以上突出的性 能。而錳鈮鋯鈦酸鉛系(主成分為xPb(Mn1/3Nb2/3)03-yPb&03-ZPbTi03)的特點是高Qm值。 例如x = 0. 10，y = 0.80, ζ = 0. 10的配方，Qm值可高達6300。結(jié)合兩者的特點，組成鈧 鈮一錳鈮一鋯酸鉛一鈦酸鉛(PSN-PMN-PZ-PT)四元系壓電陶瓷，在很大的范圍內(nèi)可以調(diào)整 其機電性能，以獲得綜合機電性能較好的壓電陶瓷材料。通過檢索現(xiàn)有專利和文獻，未發(fā)現(xiàn) 鈧鈮一猛鈮一錯酸鉛一鈦酸鉛四元系壓電陶瓷配方的報導(dǎo)。上述的鈧鈮一錳鈮一鋯酸鉛一鈦酸鉛(PSN-PMN-PZ-PT)四元系壓電陶瓷的制備 方法為(1)將Sc2O3和Nb2O5按摩爾比1 1，MnCO3和Nb2O5按摩爾比1 1分別混合球 磨，在1120-1180°C的溫度下預(yù)燒3-5h合成前驅(qū)體，Sc2O3和Nb2O5合成前驅(qū)體為Sc2Nb2O8， MnCO3和Nb2O5合成的前驅(qū)體為MnNb2O6 ；(2)再將上述的前驅(qū)體和PbO，ZrO2, TiO2和SrCO3混合，摩爾百分比為1 4% Sc2Nb2O8，1 3 % MnNb2O6,96 100 % PbO，40 45 % ZrO2, 40 45 % TiO2 和 0 4 % SrCO3, 在830-870°C下保溫2-4h合成PSN-PMN-PZ-PT粉料，再經(jīng)100_200MPa干壓成型后燒成，燒 成溫度為1150-1250°C，保溫2-4h。所述步驟(1)中，在1150°C的溫度下預(yù)燒4h合成前驅(qū)體。所述步驟(1)中的原料采用分析純的PbO，SrCO3, Sc2O3, MnCO3, Nb2O5，&02，和化學(xué) 純的TiO2。所述步驟(2)中，將上述的前驅(qū)體和PbO，ZrO2, TiO2和SrCO3混合，在850°C下保 溫3h合成PSN-PMN-PZ-PT粉料，再經(jīng)150MPa干壓成型后燒成，燒成溫度為1180-1220°C，保 溫 2-4h。燒成后的樣品經(jīng)過打磨、拋光成直徑10 11mm、厚度0. 5mm的圓片，被銀后在 120°C的硅油中加電壓3 4KV/mm極化30min。放置24h后測其性能。用諧振一反諧振法 測量樣品的諧振頻率和反諧振頻率及相應(yīng)的阻抗I Z I，計算機電耦合系數(shù)Kp和機械品質(zhì)因 子Qm，壓電常數(shù)d33由準(zhǔn)靜態(tài)法測量。鈧鈮一猛鈮一錯酸鉛一鈦酸鉛四元系壓電陶瓷為一種新的壓電陶瓷體系，可在較 寬的范圍內(nèi)調(diào)整其性能。所提供的優(yōu)化配方具有較好的綜合機電性能，適用于水聲換能器，具有良好的商業(yè)價值。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。實施例1 將Sc2O3和Nb2O5按摩爾比1 1，MnCO3和Nb2O5按摩爾比1 1分別混合球磨，在 11500C的溫度下預(yù)燒4h合成前驅(qū)體，Sc2O3和Nb2O5合成前驅(qū)體為Sc2Nb2O8，MnCO3和Nb2O5 合成的前驅(qū)體為MnNb206。再將這些前驅(qū)體和PbO，ZrO2, TiO2和SrCO3混合，摩爾百分比為 3% Sc2Nb2O8, 2% MnNb2O6,98% PbO, 41 % ZrO2,41 % TiO2, 2% SrCO3,在 850°C下保溫 3h 合成 PSN-PMN-PZ-PT粉料，再經(jīng)150MPa干壓成型后燒成，燒成制度為1200°C，保溫3h。制備得到的鈧鈮一錳鈮一鋯酸鉛一鈦酸鉛(PSN-PMN-PZ-PT)四元系壓電陶瓷組 成(摩爾百分比)% 12% Pb(Scl72Nbl72) ,6% Pb (Mnl73Nb273), 41 % PbZrO3,41% PbTiO3, Pb 位被2mol% Sr2+取代。機電性能為=Kp= 0. 65，Qm = 1010，d33 = 462pC/N, tan δ = 0. 005。該配方 Kp 和d33較高，Qm值高于1000，具有良好的綜合機電性能，適合收發(fā)兼用的水聲換能器，為優(yōu)選 配方。實施例2 將Sc2O3和Nb2O5按摩爾比1 1，MnCO3和Nb2O5按摩爾比1 1分別混合球磨，在 11500C的溫度下預(yù)燒4h合成前驅(qū)體，Sc2O3和Nb2O5合成前驅(qū)體為Sc2Nb2O8，MnCO3和Nb2O5 合成的前驅(qū)體為MnNb206。再將這些前驅(qū)體和PbO，ZrO2, TiO2和SrCO3混合，摩爾百分比為 1. 5% Sc2Nb2O8, 2% MnNb2O6,98% PbO, 44% ZrO2,44% TiO2, 2% SrCO3,在 850°C下保溫 3h 合 成PSN-PMN-PZ-PT粉料，再經(jīng)150MPa干壓成型后燒成，燒成制度為1200°C，保溫3h。制備得到的鈧鈮一錳鈮一鋯酸鉛一鈦酸鉛(PSN-PMN-PZ-PT)四元系壓電陶瓷組 成(摩爾百分比)為6% Pb (Scl72Nbl72), 6% Pb (Mnl73Nb273), 44 % PbZrO3,44% PbTiO3, Pb ^ 被 2mol% Sr2+取代。機電性能為=Kp= 0. 56，Qm = 2010，d33 = 352pC/N, tan δ = 0. 003。該配方 Qm 值較高，適合大功率發(fā)射型水聲換能器。實施例3 將Sc2O3和Nb2O5按摩爾比1 1，MnCO3和Nb2O5按摩爾比1 1分別混合球磨，在11500C的溫度下預(yù)燒4h合成前驅(qū)體，Sc2O3和Nb2O5合成前驅(qū)體為Sc2Nb2O8，MnCO3和Nb2O5 合成的前驅(qū)體為MnNb206。再將這些前驅(qū)體和PbO，ZrO2, TiO2和SrCO3混合，摩爾百分比為 1. 5% Sc2Nb2O8, 2% MnNb2O6,98% PbO, 45% ZrO2,43% TiO2, 2% SrCO3,在 850°C下保溫 3h 合 成PSN-PMN-PZ-PT粉料，再經(jīng)150MPa干壓成型后燒成，燒成制度為1220°C，保溫4h。制備得到的鈧鈮一錳鈮一鋯酸鉛一鈦酸鉛(PSN-PMN-PZ-PT)四元系壓電陶瓷組 成(摩爾百分比)為6 % Pb (Sbl72Nbl72), 6 % Pb (Mnl73Nb273), 45 % PbZrO3,43 % PbTiO3, Pb ^ 被 2mol% Sr2+取代。機電性能為=Kp= 0. 52, Qm = 1820，d33 = 303pC/N, tan δ = 0. 004。該配方調(diào)整了鋯鈦比，綜合機電性能下降。實施例4 將Sc2O3和Nb2O5按摩爾比1 1，MnCO3和Nb2O5按摩爾比1 1分別混合球磨在 11500C的溫度下預(yù)燒4h合成前驅(qū)體，Sc2O3和Nb2O5合成前驅(qū)體為Sc2Nb2O8，MnCO3和Nb2O5 合成的前驅(qū)體為MnNb206。再將這些前驅(qū)體和PbO，ZrO2, TiO2和SrCO3混合，摩爾百分比為 1. 25% Sc2Nb2O8，1. 67% MnNb2O6,100% PbO, 44. 5% ZrO2,45. 5% TiO2，在 850°C下保溫 3h 合 成PSN-PMN-PZ-PT粉料，再經(jīng)150MPa干壓成型后燒成，燒成制度為1180°C，保溫2h。制備得到的鈧鈮一錳鈮一鋯酸鉛一鈦酸鉛(PSN-PMN-PZ-PT)四元系壓電陶瓷組 成(摩爾百分比)為5% Pb(Sbl72Nbl72) ,5% Pb (Mnl73Nb273), 44. 5% PbZrO3,45. 5% PbTiO30機電性能為=Kp= 0. 50，Qm = 1870，d33 = 284pC/N, tan δ = 0. 006。該配方未添 加Sr2+，壓電性能相對實施例1、2和3明顯降低。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其 等同物界定。
權(quán)利要求
用于水聲換能器的壓電陶瓷，其特征在于，所述的壓電陶瓷由鈧鈮—錳鈮—鋯酸鉛—鈦酸鉛(PSN-PMN-PZ-PT)四元系壓電陶瓷組成，所述的四元系摩爾百分比為3～18％Pb(Sc1/2Nb1/2)，3～8％Pb(Mn1/3Nb2/3)，40～49％PbZrO3，40～49％PbTiO3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于水聲換能器的壓電陶瓷，其特征在于，其中，Pb位被1 5mol% Sr2+ 取代。
3.制備如權(quán)利要求1所述的用于水聲換能器的壓電陶瓷的方法，包括如下步驟(1)將 Sc2O3和Nb2O5按摩爾比1 1，MnCOjP Nb2O5按摩爾比1 1分別混合球磨，在1120_1180°C 的溫度下預(yù)燒3-5h合成前驅(qū)體，Sc2O3和Nb2O5合成前驅(qū)體為Sc2Nb2O8，MnCO3和Nb2O5合成 的前驅(qū)體為MnNb2O6 ；(2)再將上述的前驅(qū)體和Pb0，&02，TiO2和SrCCV混合，摩爾百分比為1 4% Sc2Nb2O8， 1 3 % MnNb2O6,96 100 % PbO, 40 45 % ZrO2,40 45 % TiO2 禾口 0 4 % SrCO3,在 830-870°C下保溫2-4h合成PSN-PMN-PZ-PT粉料，再經(jīng)100_200MPa干壓成型后燒成，燒成 溫度為 1150-1250°C，保溫 2-4h。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于水聲換能器的壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述 步驟(1)中的原料采用分析純的PbO，SrCO3, Sc2O3，MnCO3, Nb2O5，，和化學(xué)純的Ti02。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于水聲換能器的壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述 步驟(1)中，在1150°C的溫度下預(yù)燒4h合成前驅(qū)體。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于水聲換能器的壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所 述步驟(2)中，將上述的前驅(qū)體和PbO，ZrO2, TiO2和SrCO3混合，在850°C下保溫3h合成 PSN-PMN-PZ-PT粉料，再經(jīng)150MPa干壓成型后燒成，燒成溫度為1180_1220°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有良好的綜合機電性能壓電陶瓷及其制備方法。用于水聲換能器的壓電陶瓷，由鈧鈮—錳鈮—鋯酸鉛—鈦酸鉛(PSN-PMN-PZ-PT)四元系壓電陶瓷組成，所述的四元系摩爾百分比為3～18％Pb(Sc1/2Nb1/2)，3～8％Pb(Mn1/3Nb2/3)，40～49％PbZrO3，40～49％PbTiO3，其中，Pb位被1～5mol％Sr2+取代。鈧鈮—錳鈮—鋯酸鉛—鈦酸鉛四元系壓電陶瓷為一種新的壓電陶瓷體系，可在較寬的范圍內(nèi)調(diào)整其性能。所提供的優(yōu)化配方具有較好的綜合機電性能，適用于水聲換能器，具有良好的商業(yè)價值。
文檔編號C04B35/622GK101798219SQ201010114529
公開日2010年8月11日 申請日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者岳建嶺, 范春華, 范艷華, 陳海* 申請人:上海海事大學(xué)