專利名稱：一種制備織構(gòu)化鋯鈦酸鉛陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料技術(shù)，具體說就是一種制備織構(gòu)化鋯鈦酸鉛陶瓷的方法。
背景技術(shù)：
對(duì)于鋯鈦酸鉛(PZT)，它的單晶具有最高的壓電性質(zhì)。但是迄今為止很難制備出大 量的PZT單晶。具有<001>織構(gòu)的PZT具有類似于單晶的性質(zhì)。用模板晶粒生長法可以制 備具有<001>方向高度織構(gòu)化的PZT壓電陶瓷，模板晶粒生長法是通過向壓電陶瓷中加入 具有方向性的模板使壓電陶瓷沿模板方向有向生長，因而達(dá)到高度織構(gòu)化的方法。該方法 已在鈮鎂酸鉛鈦酸鉛(PMN-PT)系列壓電陶瓷的制備中得到應(yīng)用，壓電性能得到較大提高， 可以在降低極化電壓的同時(shí)大幅提高壓電陶瓷在該方向的壓電性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高壓電性能、降低極化電壓的制備織構(gòu)化鋯鈦酸鉛 陶瓷的方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種制備織構(gòu)化鋯鈦酸鉛陶瓷的方法，步驟如下步驟一以碳酸鍶和二氧化鈦為原料，按照摩爾比為3. 1 2.0的比例配料，加熱 至1250°C保溫3-4小時(shí)，生成鈦酸鍶中間體Sr3Ti2O7，鈦酸鍶中間體Sr3Ti2O7與二氧化鈦按 摩爾比1.0 1.1再次混合，加熱至iioo°c保溫2小時(shí)，將燒結(jié)后的粉體多次水洗，洗凈氯 化鉀后烘干得到微觀有向排布的鈦酸鍶模板，制備出的鈦酸鍶模板在掃描電鏡下的微觀結(jié) 構(gòu)呈現(xiàn)大而分散的片狀，鈦酸鍶模板晶粒的加入引導(dǎo)陶瓷晶粒沿一定方向生長；步驟二 將PZT粉體加入無水乙醇和丁酮組成的混合溶劑中，無水乙醇和丁酮的 體積比為1-2 1的混合液，同時(shí)加入混合粉料總量11. 00wt% 1. 30wt%的分散劑三油 酸甘油酯，混合球磨8 12小時(shí)，然后按混合粉料總量2. 50wt% 3. 00wt%加入粘結(jié)劑聚 乙烯醇縮丁醛流延，4. 55wt% 5. 15wt%的塑性劑聚乙二醇和鄰苯二甲酸二丁酯，再次球 磨8 12小時(shí)，按鈦酸鍶模板占PZT粉體2wt% 7wt%的比例配比加入鈦酸鍶模板，然后 球磨4-6小時(shí)，制得漿料；步驟三將漿料流延成型，自然干燥后切片疊層，在600Mpa下冷等靜壓壓片成型， 流延技術(shù)的合理操作使鈦酸鍶模板在PZT陶瓷粉體中大部分同向分布，達(dá)到PZT陶瓷粉體 在燒結(jié)過程中織構(gòu)化最大的目的；步驟四將壓片在空氣氣氛中燒結(jié)，由常溫每分鐘5°C升溫至1250°C保溫2-4小 時(shí)，在300°C保溫4小時(shí)，使PZT陶瓷沿鈦酸鍶模板排布方向完全有向生長，將燒結(jié)后的PZT 塊體進(jìn)行打磨、拋光后即為成品。本發(fā)明一種制備織構(gòu)化鋯鈦酸鉛陶瓷的方法，是一種具有<001>方向的高度織構(gòu) 化的PZT壓電陶瓷制備方法。這種壓電陶瓷的取向度更高，壓電性能同一般的PZT在壓電 常數(shù)及壓電耦合系數(shù)等方面有很大改進(jìn)。以碳酸鍶和二氧化鈦為原料，用兩步熔鹽法制備 出具有片狀微觀結(jié)構(gòu)的鈦酸鍶模板。將模板加入到PZT粉體中，流延，壓片，燒結(jié)得到較高織構(gòu)化及壓電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)的PZT塊體材料。本發(fā)明設(shè)計(jì)一種具有<001>方向的高 度織構(gòu)化的PZT壓電陶瓷的工藝流程。在PZT陶瓷中加入微觀有向排布的鈦酸鍶模板，并 使用流延的方法使模板在PZT陶瓷中具有方向性，使PZT陶瓷沿模板方向有向生長，因而具 有近似單晶結(jié)構(gòu)的高度織構(gòu)化的結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1 本發(fā)明一種制備織構(gòu)化鋯鈦酸鉛陶瓷的方法，步驟如下步驟一以碳酸鍶和二氧化鈦為原料，按照摩爾比為3. 1 2.0的比例配料，加熱 至1250°C保溫3-4小時(shí)，生成鈦酸鍶中間體Sr3Ti207，鈦酸鍶中間體Sr3Ti207與二氧化鈦 按摩爾比1.0 1.1再次混合，加熱至iioo°c保溫2小時(shí)，將燒結(jié)后的粉體多次水洗，洗凈 氯化鉀后烘干得到微觀有向排布的鈦酸鍶模板，制備出的鈦酸鍶模板在掃描電鏡下的微觀 結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)大而分散的片狀，鈦酸鍶模板晶粒的加入引導(dǎo)陶瓷晶粒沿一定方向生長；步驟二 將PZT粉體加入無水乙醇和丁酮組成的混合溶劑中，無水乙醇和丁酮的 體積比為1-2 1的混合液，同時(shí)加入混合粉料總量1.00襯％ 1.30襯％的分散劑三油酸 甘油酯，混合球磨8 12小時(shí)，然后按混合粉料總量2. 50wt% 3. 00襯％加入粘結(jié)劑聚乙 烯醇縮丁醛流延，4. 55wt% 5. 15襯％的塑性劑聚乙二醇和鄰苯二甲酸二丁酯，再次球磨 8 12小時(shí)，按鈦酸鍶模板占PZT粉體2wt% 7襯％的比例配比加入鈦酸鍶模板，然后球 磨4-6小時(shí)，制得漿料；步驟三將漿料流延成型，自然干燥后切片疊層，在600Mpa下冷等靜壓壓片成型， 流延技術(shù)的合理操作使鈦酸鍶模板在PZT陶瓷粉體中大部分同向分布，達(dá)到PZT陶瓷粉體 在燒結(jié)過程中織構(gòu)化最大的目的；步驟四將壓片在空氣氣氛中燒結(jié)，由常溫每分鐘5°C升溫至1250°C保溫2-4小 時(shí)，在300°C保溫4小時(shí)，使PZT陶瓷沿鈦酸鍶模板排布方向完全有向生長，將燒結(jié)后的PZT 塊體進(jìn)行打磨、拋光后即為成品。實(shí)施例2 本發(fā)明中模板晶粒生長法的使用在目標(biāo)材料中加入與其晶格基本匹配 的各向異性顆粒，利用有效的工藝方法使各向異性顆粒在目標(biāo)材料中均勻分布并定向排 列，在后續(xù)陶瓷材料燒結(jié)過程中，各向異性顆粒作為模板導(dǎo)引陶瓷材料顆粒沿模板表面生 長，形成各向異性的晶粒分布?？梢栽诮档蜆O化電壓的同時(shí)大幅提高壓電陶瓷在特定方向 的壓電性能。迄今為止未見有關(guān)PZT單晶成功制備的報(bào)道，本發(fā)明可以較容易的獲得高織 構(gòu)化的PZT陶瓷，使之在<001>方向上的壓電性能得到很好的發(fā)揮，將會(huì)大幅提高壓電執(zhí)行 器或變壓器的電致應(yīng)變量或升壓比。本發(fā)明一種制備織構(gòu)化鋯鈦酸鉛陶瓷的方法，步驟如下1.以碳酸鍶和二氧化鈦為原料，按照摩爾比為3.1 2.0的比例配料，按語混合粉 體的質(zhì)量比為50%的比例加入KCl粉末，加入乙醇溶劑，球磨8小時(shí)，烘干，由室溫以每分鐘 5°C速率加熱升溫至1250°C保溫3 4小時(shí)，再以每分鐘5°C速率降至室生成鈦酸鍶中間體(Sr3Ti2O7)。鈦酸鍶中間體(Sr3Ti2O7)與二氧化鈦按摩爾比 1.0 1.1再次混合，以相同升溫和降溫方式在iioo°c保溫2小時(shí)，將燒結(jié)后的粉體多次水 洗，至洗凈C1_后烘干得到微觀有向排布的鈦酸鍶模板。
2.使用市售的純度極高的PZT粉末。將PZT粉體加入無水乙醇和丁酮組成的 混合溶劑中，無水乙醇和丁酮的體積比為1 2 1的混合液，同時(shí)加入混合粉料總量 1. 00wt% 1. 30wt%的分散劑三油酸甘油酯，混合球磨8 12小時(shí)，同時(shí)加入按照混合粉 料總量2. 50wt% 3. OOwt %粘結(jié)劑聚乙烯醇縮丁醛流延和4. 55wt% 5. 15襯％的塑性劑 聚乙二醇和鄰苯二甲酸二丁酯，再次球磨8 12小時(shí)，按鈦酸鍶模板占PZT粉體2wt% 7wt%的比例加入鈦酸鍶模板，然后球磨4 6小時(shí)，制得流延漿料。3.將混合漿料流延，自然干燥成薄片狀材料，切片疊層，在600Mpa下冷等靜壓壓 片成型。在壓片過程中應(yīng)特別注意的是，各層薄片需緊密結(jié)合，防止PZT塊體材料在燒結(jié)過 程中出現(xiàn)裂紋。4.燒結(jié)壓片，由常溫每分鐘5°C升溫至1250°C保溫2 4小時(shí)，在300°C保溫4小 時(shí)，使PZT陶瓷沿鈦酸鍶模板排布方向完全有向生長。5.燒結(jié)后的PZT塊體進(jìn)行打磨、拋光后即為成品。實(shí)施例3 制備以PZT為基體織構(gòu)化壓電陶瓷的配方和條件如下，基體材料PZT粉 末為市購品。例1、按PZT+SrTi03 = 95. 50wt% +4. 50wt%配料，SrTi03模板在加入塑性劑和粘 結(jié)劑之后再加入，采用無水乙醇與丁酮體積比為1 1組成的混合溶劑，分散劑的摻入量為 1. 17wt%,混合后球磨8小時(shí)。粘結(jié)劑、塑性劑的摻入量為2. 70wt%,4. 95wt%,混合后再次 球磨8小時(shí)。加入SrTi03模板，球磨5小時(shí)。冷等靜壓壓力為600Mpa，燒結(jié)溫度1250°C， 燒結(jié)時(shí)間4小時(shí)，300°C保溫4小時(shí)。例2 按 PZT+SrTi03 = 96. 25wt% +3. 75wt%配料，SrTi03 模板在加入塑性劑和 粘結(jié)劑之后再加入，采用無水乙醇與丁酮體積比為1 1組成的混合溶劑，分散劑的摻入量 為1. 25wt%，混合后球磨10小時(shí)。粘結(jié)劑、塑性劑的摻入量為2. 82wt%,4. 75wt%，混合 后再次球磨10小時(shí)。加入SrTi03模板，球磨4小時(shí)。冷等靜壓壓力為600Mpa，燒結(jié)溫度 1250°C，燒結(jié)時(shí)間3小時(shí)，300°C保溫4小時(shí)。例3 按 PZT+SrTi03 = 94. 50wt% +5. 50wt%配料，SrTi03 模板在加入塑性劑和 粘結(jié)劑之后再加入，采用無水乙醇與丁酮體積比為1 1組成的混合溶劑，分散劑的摻入量 為1.20wt%，混合后球磨12小時(shí)。粘結(jié)劑、塑性劑的摻入量為2.90襯％、5.00襯％，混合 后再次球磨12小時(shí)。加入SrTi03模板，球磨4小時(shí)。冷等靜壓壓力為600Mpa，燒結(jié)溫度 1250°C，燒結(jié)時(shí)間2小時(shí)，300°C保溫4小時(shí)。
權(quán)利要求
一種制備織構(gòu)化鋯鈦酸鉛陶瓷的方法，其特征在于步驟如下步驟一以碳酸鍶和二氧化鈦為原料，按照摩爾比為3.1∶2.0的比例配料，加熱至1250℃保溫3 4小時(shí)，生成鈦酸鍶中間體Sr3Ti2O7，鈦酸鍶中間體Sr3Ti2O7與二氧化鈦按摩爾比1.0∶1.1再次混合，加熱至1100℃保溫2小時(shí)，將燒結(jié)后的粉體多次水洗，洗凈氯化鉀后烘干得到微觀有向排布的鈦酸鍶模板，制備出的鈦酸鍶模板在掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)大而分散的片狀，鈦酸鍶模板晶粒的加入引導(dǎo)陶瓷晶粒沿一定方向生長；步驟二將PZT粉體加入無水乙醇和丁酮組成的混合溶劑中，無水乙醇和丁酮的體積比為1 2∶1的混合液，同時(shí)加入混合粉料總量11.00wt％～1.30wt％的分散劑三油酸甘油酯，混合球磨8～12小時(shí)，然后按混合粉料總量2.50wt％～3.00wt％加入粘結(jié)劑聚乙烯醇縮丁醛流延，4.55wt％～5.15wt％的塑性劑聚乙二醇和鄰苯二甲酸二丁酯，再次球磨8～12小時(shí)，按鈦酸鍶模板占PZT粉體2wt％～7wt％的比例配比加入鈦酸鍶模板，然后球磨4 6小時(shí)，制得漿料；步驟三將漿料流延成型，自然干燥后切片疊層，在600Mpa下冷等靜壓壓片成型，流延技術(shù)的合理操作使鈦酸鍶模板在PZT陶瓷粉體中大部分同向分布，達(dá)到PZT陶瓷粉體在燒結(jié)過程中織構(gòu)化最大的目的；步驟四將壓片在空氣氣氛中燒結(jié)，由常溫每分鐘5℃升溫至1250℃保溫2 4小時(shí)，在300℃保溫4小時(shí)，使PZT陶瓷沿鈦酸鍶模板排布方向完全有向生長，將燒結(jié)后的PZT塊體進(jìn)行打磨、拋光后即為成品。
全文摘要
本發(fā)明一種制備織構(gòu)化鋯鈦酸鉛陶瓷的方法，是一種具有<001>方向的高度織構(gòu)化的PZT壓電陶瓷制備方法。以碳酸鍶和二氧化鈦為原料，用兩步熔鹽法制備出具有片狀微觀結(jié)構(gòu)的鈦酸鍶模板。將模板加入到PZT粉體中，流延，壓片，燒結(jié)得到較高織構(gòu)化及壓電系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)的PZT塊體材料。PZT陶瓷中加入微觀有向排布的鈦酸鍶模板，并使用流延的方法使模板在PZT陶瓷中具有方向性，使PZT陶瓷沿模板方向有向生長，因而具有近似單晶結(jié)構(gòu)的高度織構(gòu)化的結(jié)構(gòu)。這種壓電陶瓷的取向度更高，壓電性能同一般的PZT在壓電常數(shù)及壓電耦合洗漱等方面有很大改進(jìn)。
文檔編號(hào)C04B35/491GK101913865SQ201010266908
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者張明福, 張磊, 邱琳, 閆潤澤 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)