一種a位復合取代高壓電常數(shù)的壓電陶瓷材料及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種A位復合取代高壓電常數(shù)的壓電陶瓷材料，其特征在于：材料的組成為Pb1-e-f-BaeLaf(Ni1/3Nb2/3)x(Zn1/3Nb2/3)yZrmTinO3＋awt％Al2O3+bwt％Sb2O3+cwt％Fe2O3+dwt％Bi2O3，式中：0.04≤e+f≤0.2，0.05≤x+y≤0.3，且x+y+m+n＝1，a＝0～0.5，b＝0～0.5，c＝0～0.5，d＝0～0.5，這種壓電陶瓷材料的制備方法，包括配料、混料、預燒合成、粉碎細磨、成型、排膠燒結(jié)、上電極極化等，這種材料通過A位復合取代，輔之以適當?shù)膿诫s配合，使壓電常數(shù)能夠大幅提高，具有相對介電常數(shù)εT33/ε0、壓電常數(shù)d33和d31高的特點，其機電耦合系數(shù)Kp=0.6～0.75，機械品質(zhì)因數(shù)Qm＜50，本發(fā)明的材料可應用于多種壓電傳感器和執(zhí)行器。
【專利說明】—種A位復合取代高壓電常數(shù)的壓電陶瓷材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓電陶瓷及其制備工藝領(lǐng)域，特別涉及一種A位復合取代高壓電常數(shù)的壓電陶瓷材料及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展，壓電陶瓷已廣泛應用于日常消費、汽車工業(yè)、通訊設備、醫(yī)療器械、工業(yè)機械、儀器儀表、光學與光電子、新型能源、智能精密機械等領(lǐng)域、近年來特別是作為傳感器和執(zhí)行器的器件在這些領(lǐng)域的應用增長較快，對高性能壓電陶瓷材料的需求也更大，尤其對高壓電常數(shù)的陶瓷材料需求尤為迫切，這類材料用于各種高靈敏度的發(fā)射及接收器(如高性能B超成像用換能器)、雙壓電晶片執(zhí)行器(如紡織機械用壓電賈卡)、多層壓電執(zhí)行器(如智能精密光學執(zhí)行器)等器件，這些器件又形成相應的系統(tǒng)應用于以上領(lǐng)域，促進了這些領(lǐng)域經(jīng)濟的發(fā)展，也帶動了壓電陶瓷行業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展。
[0003]專利號為CN2009100459098文獻報道了一種高壓電常數(shù)d33和d31、低壓電常數(shù)g31的壓電陶瓷材料，但這種材料需在特制的坩鍋里進行通氧燒結(jié)才能達到好的性能，不太適合量產(chǎn)要求，同時制作成本也相應提高了。國內(nèi)外也有主成分為鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料的報道，但壓電常數(shù)指標都不高，無法滿足高性能材料指標的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是為克服上述【背景技術(shù)】的不足，提供了一種運用A位復合取代方式的高壓電常數(shù)的壓電陶瓷材料，這種材料便于制作，適合大規(guī)模生產(chǎn)，其特征在于:材料的組成為:Pb卜^fBaeLaf(Niv3Nb2iZ3)x(Znv3Nb2iZ3)yZrmTinO3 + awt % Al203+bwt % Sb203+cwt %Fe203+dwt% Bi2O3,式中:0.04 ^ e+f ^ 0.2,0.05 ^ x+y < 0.3,且 x+y+m+n = I, a = O ~0.5，b = 0 ~0.5，c = 0 ~0.5，d = 0 ~0.5。
[0005]本發(fā)明的優(yōu)選方案的材料組成為=Pb1IfBaeLaf(Niiy3Nlv3)x(Znv3Nlv3)yZrmTinO3+awt % Al203+bwt % Sb203+cwt % Fe203+dwt % Bi2O3,式中:e=0.06, f=0.06, x+y=0.2~0.24,m+n = 0.76~0.8,且 x+y+m+n = I, a = 0.02~0.05, b = 0.1 ~0.3, c = 0.05 ~0.1, d =0.3 ~0.4。
[0006]本發(fā)明A位復合取代高壓電常數(shù)的壓電陶瓷材料的制備方法，包括配料、混料、預燒合成、粉碎細磨、成型、排膠燒結(jié)、上電極極化等，其特征在于:采用包括如下工藝步驟方法:
按主要成分的化學式計算配料稱量，原料為Pb304、BaCO3> ZrO2, TiO2, NiO, Nb2O5, La203、Al203、Sb203、Fe203、Bi2O3混料按照原料:瑪瑙球:去離子水=1:1~1.5:0.8~1.5的比例在行星球磨機中混料2~5h，烘干。
[0007]將混合后的原料放入坩鍋中在850~1000°C的溫度條件下預燒合成2~4h，粉碎后細磨按照原料:瑪瑙球:去離子水=1:1~1.5:0.8~1.5的比例在行星球磨機中磨4~IOh,烘干。[0008]將粉末進行流延后疊層等靜壓成型或造粒干壓成型，流延粘結(jié)劑為10~20wt%的PVB，疊層等靜壓成型壓力為25~40MPa，造粒粘結(jié)劑重量比為6~IOwt %的PVA，干壓成型壓力100~200MPa，再經(jīng)排膠后燒結(jié)得到陶瓷體，燒結(jié)溫度為1250°C~1350°C，保溫I ~3h0
[0009]將燒結(jié)后的陶瓷體磨平面后進行絲網(wǎng)印刷銀漿，再燒銀后極化，燒銀溫度為750~810°C，保溫時間10~15min，極化溫度為80~150°C，電場2~4Kv/mm，時間為10~15min，極化后放置24h，即可得到所述壓電陶瓷。
[0010]對主成分A位用Ba對Pb進行適當范圍的取代，可以提高壓電常數(shù)等壓電指標，由于鋇離子半徑與鉛離子半徑相近(Ba2+半徑為135pm，Pb2+半徑為119pm)，化學價與鉛原子相同，Ba2+進入晶格后將取代A位的Pb2+，鋇離子取代鉛離子后，將使晶體中產(chǎn)生晶格畸變，使晶胞體積增大(a軸和c軸都略有伸長)，一般說來，一個取代離子可以引起附近幾十個晶胞發(fā)生畸變，這樣有利于極化時電疇的定向排列，特別是作90°轉(zhuǎn)向非常困難的電疇也變得轉(zhuǎn)向容易，因此取代后這種適度的晶格畸變，可使材料的壓電性得到充分發(fā)揮，促使壓電材料性能提聞。
[0011 ] 對主成分A位用La進行一定范圍的取代，同樣可以提高壓電常數(shù)等壓電指標，一方面，由于La的離子半徑較鋇離子和鉛離子半徑都大，會使晶體的晶格畸變加劇，提高壓電性，另一方面，由于La2O3為軟性添加物，La3+取代Pb2+后，根據(jù)電中性的要求，樣品中會出現(xiàn)鉛空位。晶胞出現(xiàn)鉛空位后，晶格產(chǎn)生畸變，這樣，電疇壁運動比較容易進行，在相當小的電場下或機械力的作用下，就能使疇壁運動，也提高了材料的壓電性。
[0012]同時進行 Ba2+和La3+復合取代Pb2+，將兩者進行適當?shù)呐浔龋梢愿蠓秶l(fā)揮其增大壓電常數(shù)的作用，在一定范圍內(nèi)晶格畸變更大，因此壓電性能提升更大；同時輔助摻雜A1203、Sb2O3> Fe203> Bi2O3等，可以抵消二者過量摻雜帶來的不利影響，填補一些由于某些畸變過大產(chǎn)生的晶格空穴，可以增大電疇轉(zhuǎn)向產(chǎn)生晶格位移，使微小的晶格形變在宏觀上表現(xiàn)更大，壓電性又會進一步的提升。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點在于:通過A位復合取代，輔之以適當?shù)膿诫s配合，使壓電常數(shù)能夠大幅提高，可以獲得相對介電常數(shù)ε τ33/ε ^ = 7020，壓電常數(shù)d33=930，d31=403，機電耦合系數(shù)Kp= 0.6~0.75，機械品質(zhì)因數(shù)Qm < 50的高壓電常數(shù)壓電材料，本發(fā)明的陶瓷材料不需要進行通氧燒結(jié)等工藝，無需特殊設備和苛刻條件，可以采用傳統(tǒng)工藝制作，工藝步驟簡單成熟，制作方式可操作性強，能實現(xiàn)大批量規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)品一致性和工藝重復性好，可用于多種傳感器和執(zhí)行器領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1:實施例一樣品的SEM微觀結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖2:實施例三樣品的SEM微觀結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0016]下面通過實施例對本發(fā)明作進一步的描述，但本發(fā)明并不限于實施例。
[0017]實施例一
以Pb3O4 (工業(yè)純)、BaCO3 (工業(yè)純)、ZrO2 (工業(yè)純)、TiO2 (工業(yè)純)、Nb2O5 (分析純)、La2O3 (分析純)、A1203 (化學純)為原料，按材料配方組成為 Pb。.D2Baaci4Laatl4 (Ni1/3Nb2/3)Q.12(Zni/3Nb2/3)Cll2Zra39Tia37O3 + 0.1wt% Al2O3 的化學計量進行配料稱量。
[0018]混料采用瑪瑙球和去離子水作為介質(zhì)，按照料:球:水=1:1.5:1.2的比例，將稱料后的原料在行星球磨機中混料4h，再出料過篩，分離瑪瑙球，然后在120°C的烘箱中干燥充分。
[0019]將干燥后的原料放入坩鍋中，蓋好蓋子防止PbO揮發(fā)，在900°C、20°C的溫度條件下預燒合成3h，將預燒后的塊體粉碎，過40目篩，仍以瑪瑙球和去離子水作為介質(zhì)，按照料:球:水=1:1.5:1.2的比例在行星球磨機中磨8h，再出料過篩，分離瑪瑙球，然后在120°C的烘箱中干 燥充分。
[0020]將粉末進行造粒干壓成型，造粒粘結(jié)劑重量比為6~7wt%的PVA，干壓成型壓力為170~180MPa，壓制成Φ11Χ0.9mm的標準片，再經(jīng)排膠后燒結(jié)得到陶瓷體的標準片，燒成升溫速度300~350°C /h，燒結(jié)溫度為1280°C~1300°C，保溫1.5h。
[0021]將燒結(jié)后的陶瓷體標準片磨平，經(jīng)清洗后進行絲網(wǎng)印刷銀漿，再燒銀后極化，燒銀溫度為810°C，保溫時間lOmin，極化溫度為80~120°C，電場3Kv/mm，時間為15min，極化后經(jīng)清洗干燥后放置24h，再進行性能測試。樣品的SEM微觀結(jié)構(gòu)見圖1，壓電性能見表1。
[0022]表1:實施例一壓電陶瓷性能參數(shù)表
【權(quán)利要求】
1.一種A位復合取代高壓電常數(shù)的壓電陶瓷材料，其特征在于:材料的組成為Pb^rf-BaeLaf(Ni1Z3Nb2Z3)x(Zn1Z3Nb2Z3)yZrmTinO3 + awt% Al203+bwt% Sb203+cwt % Fe203+dwt%Bi2O3,式中:0.04 ≤ e+f ≤ 0.2,0.05 ≤ x+y≤0.3,且 x+y+m+n = l,a = 0~0.5,b = 0~0.5, c = 0 ~0.5, d = 0 ~0.5。
2.—種權(quán)利要求1所述的A位復合取代高壓電常數(shù)的壓電陶瓷材料，其特征在于:材料的組成為 Plve十BaeLaf (NiljZ3Nb2iZ3)x(ZnliZ3Nb2iZ3)yZrmTinO3 + awt% Al203+bwt% Sb203+cwt%Fe203+dwt% Bi2O3,式中:e=0.06, f=0.06, x+y=0.2~0.24, m+n = 0.76~0.8,且 x+y+m+n =1,a = 0.02^0.05, b = 0.1 ~0.3, c = 0.05 ~0.1, d = 0.3 ~0.4。
3.—種權(quán)利要求1所述的A位復合取代高壓電常數(shù)的壓電陶瓷材料的制備方法，包括配料、混料、預燒合成、粉碎細磨、成型、排膠燒結(jié)、上電極極化等，其特征在于:采用包括如下工藝步驟方法: 按主要成分的化學式配料，原料為 Pb304、BaCO3> ZrO2, TiO2, NiO, Nb2O5, La203、A1203、Sb203、Fe203、混料按照原料:瑪瑙球:去離子水=1:1~1.5:0.8~1.5的比例在行星球磨機中混料2~5h，烘干； 將混合后的原料放入坩鍋中在850~1000°C的溫度條件下預燒合成2~4h，粉碎后細磨按照原料:瑪瑙球:去離子水=1:1~1.5:0.8~1.5的比例在行星球磨機中磨4~IOh,烘干； 將粉末進行流延后疊層等靜壓成型或造粒干壓成型，流延粘結(jié)劑為10~20wt %的PVB，疊層等靜壓成型壓力為25~40MPa，造粒粘結(jié)劑為6~IOwt %的PVA，干壓成型壓力100~200MPa，再經(jīng)排膠后燒結(jié)得到陶瓷體，燒結(jié)溫度為1250°C~1350°C，保溫I~3h ; 將燒結(jié)后的陶瓷體磨平面后進行絲網(wǎng)印刷銀漿，再燒銀后極化，燒銀溫度為750°C~810°C，保溫時間10~15min，極化溫度為80~150°C，電場2~4Kv/mm，時間為10~15min，極化后放置24h，即可得到所述壓電陶瓷。
【文檔編號】C04B35/622GK103724013SQ201310731182
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】蹇勝勇, 馮小東 申請人:重慶勝普昂凱科技有限公司