本發(fā)明屬于新型無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域，更具體地，涉及一種應(yīng)用于水聲換能器的壓電陶瓷材料及制備方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代技術(shù)中，作為大功率水聲換能器件的材料主要運(yùn)用于壓電換能器，壓電換能器是利用壓電材料的正逆壓電效應(yīng)制造的換能器，其廣泛應(yīng)用于軍事衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦艇、雷達(dá)和軍用機(jī)器人等關(guān)鍵部件。在實(shí)際應(yīng)用中，以壓電型大功率水聲換能器的應(yīng)用占主導(dǎo)地位，而大功率壓電型換能材料又以壓電陶瓷為主。

對(duì)于發(fā)射型換能器壓電陶瓷材料，首先要滿足大功率，高效率的要求，其中大功率壓電陶瓷材料要求材料有高壓電常數(shù)(d33≥270pc/n)、高機(jī)電耦合系數(shù)(kp≥0.56)和高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(qm≥1000)，并且強(qiáng)場下的介電損耗tanδ要盡可能小(tanδ≤0.4％)。其中，d33和kp兩個(gè)參數(shù)反映壓電陶瓷材料的壓電性能，qm和tanδ兩個(gè)參數(shù)反映壓電陶瓷材料的損耗性能。另外，為緩解壓電換能器的過熱問題，壓電陶瓷材料的強(qiáng)場非線性變化量需要盡可能低，即在交流電場場強(qiáng)變化過程中引入材料的相對(duì)介電常數(shù)εr的變化量需要盡可能低。

目前，研究和應(yīng)用最為廣泛的是pzt-8體系壓電陶瓷材料，其具有發(fā)熱量低，熱穩(wěn)定性好，抗張強(qiáng)度高，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)qm值高的優(yōu)點(diǎn)，但該體系壓電陶瓷材料的壓電性能不夠好，無法滿足d33≥270pc/n或kp≥0.56。此外，清華大學(xué)李龍土等研究ceo2摻雜下銻錳銻鈷鋯鈦酸鉛pb[(mn1/3sb2/3)x(co1/3sb2/3)ytizzrw]o3得到較為優(yōu)異的損耗特性，并得出ceo2有助于晶粒細(xì)化和均勻的結(jié)論，但是其壓電性能不是很理想。鞠超對(duì)大功率收發(fā)兼?zhèn)湫蛪弘娞沾膳浞絧b0.94sr0.06(zr0.53ti0.47)o3進(jìn)行了摻雜改性，得出當(dāng)摻雜物為0.10wt％(ni2o3+cr2o3)+0.05wt％mno2+0.30wt％ceo2時(shí)，體系具有最佳壓電和介電性能d33＝338pc/n，kp＝0.626，εr＝1260，tanδ＝0.38％，但是其機(jī)械品質(zhì)因數(shù)qm僅有421。

綜上，現(xiàn)有大功率壓電陶瓷材料的壓電性能或者損耗性能存在著缺點(diǎn)，不能廣泛應(yīng)用于大功率水聲換能器件等領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有大功率壓電陶瓷材料的壓電性能或者損耗性能存在著缺點(diǎn)，不能廣泛應(yīng)用于大功率水聲換能器件等領(lǐng)域的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種應(yīng)用于水聲換能器的壓電陶瓷材料，其化學(xué)通式表示如下：

pb0.98sr0.02(mn1/3sb2/3)0.08zr0.47ti0.45o3+xwt％ceo2+ywt％yb2o3+zwt％bifeo3；式中pb0.98sr0.02(mn1/3sb2/3)0.08zr0.47ti0.45o3為基體陶瓷粉體，xwt％表示ceo2占所述基體陶瓷粉體的重量百分比，ywt％表示yb2o3占所述基體陶瓷粉體的重量百分比，zwt％表示bifeo3占所述基體陶瓷粉體的重量百分比，所述壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)大于或等于300pc/n，機(jī)電耦合系數(shù)大于或等于0.56，在5kv/cm交流電場下的強(qiáng)場下的介電損耗最小為2.74％，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)大于或等于1301，0<x≤1，0≤y≤0.9，0≤z≤0.55。

本發(fā)明實(shí)施例提供的壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)大于或等于300pc/n，機(jī)電耦合系數(shù)大于或等于0.56，在5kv/cm交流電場下的強(qiáng)場下的介電損耗最小為2.74％，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)大于或等于1301，即該壓電陶瓷材料的壓電性能和損耗性能均符合大功率水聲換能器件的需求，是一種性能較優(yōu)的壓電陶瓷材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。

可選地，當(dāng)y＝0時(shí)，0.10≤z≤0.55，當(dāng)z＝0時(shí)，0.05≤y≤0.9。

本發(fā)明實(shí)施例可通過選擇合適的重量摻雜比例，以調(diào)控壓電陶瓷材料的燒結(jié)溫度、壓電性能或損耗性能。

可選地，當(dāng)y＝z＝0時(shí)，隨著x的增加，所述壓電陶瓷材料的強(qiáng)場介電損耗呈降低趨勢，若x＝0，則所述壓電陶瓷材料在5kv/cm交流電場下的強(qiáng)場介電損耗為4.06％，若x＝1，則所述壓電陶瓷材料在5kv/cm交流電場下的強(qiáng)場介電損耗為2.74％，若x＝0.75，則所述壓電陶瓷材料在交流電場場強(qiáng)由1kv/cm變化至5kv/cm過程中引入的相對(duì)介電常數(shù)變化量為336；若x由0變化至0.25，則所述壓電陶瓷材料在5kv/cm交流電場下的強(qiáng)場介電損耗從4.06％降低到3.69％，所述壓電陶瓷材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)從1181提高到1621，所述壓電陶瓷材料在小信號(hào)下介電損耗從0.517％降低到0.447％，所述壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)變化不大。

需要說明的是，小信號(hào)下介電損耗指的是在交流電壓為1v下的介電損耗。壓電陶瓷材料在交流電場場強(qiáng)由1kv/cm變化至5kv/cm過程中引入的相對(duì)介電常數(shù)變化量反映壓電陶瓷材料的強(qiáng)場非線性，當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)變化量越小，則壓電陶瓷材料的強(qiáng)場非線性越小，壓電陶瓷材料的強(qiáng)場非線性越小，越可以在其應(yīng)用到大功率保證大功率水聲換能器的較高工作效率的同時(shí)有效緩解換能器過熱問題，有利于提高換能器的使用壽命和工作精度。

本發(fā)明實(shí)施例提供的壓電陶瓷材料在pms-pzt體系的基礎(chǔ)上，摻雜適量的ceo2可以改善pms-pzt體系的損耗性能，同時(shí)對(duì)壓電性能的影響較低，使得pms-pzt+xwt％ceo2(0≤x≤1)體系壓電陶瓷材料的壓電性能滿足大功率水聲換能器的需求，同時(shí)相比pms-pzt體系大大降低了小信號(hào)和強(qiáng)場下的介電損耗，且提升了機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。

可選地，當(dāng)x＝0.25，z＝0時(shí)，若y由0變化至0.15，則所述壓電陶瓷材料在5kv/cm交流電場下的強(qiáng)場介電損耗從3.69％降低到3.16％，所述壓電陶瓷材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)從1621提高到1809，所述壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)從331pc/n提高到368pc/n，所述壓電陶瓷材料的機(jī)電耦合系數(shù)從0.585提高到了0.626；若y＝0.50，則所述壓電陶瓷材料在交流電場場強(qiáng)由1kv/cm變化至5kv/cm過程中引入的相對(duì)介電常數(shù)變化量為256。

可選地，當(dāng)x＝0.25，y＝0時(shí)，若z由0變化至0.2，則所述壓電陶瓷材料在5kv/cm交流電場下的強(qiáng)場介電損耗從3.69％降低到3.26％，所述壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)由331pc/n上升至359pc/n，所述壓電陶瓷材料的機(jī)電耦合系數(shù)由0.585上升為0.622；相比x＝y(tǒng)＝z＝0時(shí)壓電陶瓷材料的性能，當(dāng)x＝0.25，y＝0，z＝0.55時(shí)，所述壓電陶瓷材料在小信號(hào)下的介電損耗從0.517％降低到0.338％，所述壓電陶瓷材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)從1181提高到1475，所述壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)d33也從353pc/n上升到364pc/n。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種上述第一方面所述的壓電陶瓷材料的制備方法，包括：

將pb3o4原料粉體、srco3原料粉體、mno2原料粉體、sb2o3原料粉體、zro2原料粉體以及tio2原料粉體按照化學(xué)計(jì)量比混合加熱得到pb0.98sr0.02(mn1/3sb2/3)0.08zr0.47ti0.45o3基體陶瓷粉體；將ceo2、yb2o3以及bifeo3原料粉體中的至少一種與pb0.98sr0.02(mn1/3sb2/3)0.08zr0.47ti0.45o3基體陶瓷粉體按化學(xué)通式pb0.98sr0.02(mn1/3sb2/3)0.08zr0.47ti0.45o3+xwt％ceo2+ywt％yb2o3+zwt％bifeo3所示的重量百分比摻雜后獲得混合粉體，將所述混合粉體球磨、造粒并干壓形成坯片，將坯片在1180℃～1320℃燒結(jié)后獲得所述壓電陶瓷材料。

可選地，將pb3o4原料粉體、srco3原料粉體、mno2原料粉體、sb2o3原料粉體、zro2原料粉體以及tio2原料粉體按化學(xué)通式pb0.98sr0.02(mn1/3sb2/3)0.08zr0.47ti0.45o3所示的化學(xué)計(jì)量比混合，得到所述基體陶瓷粉體的原始混合粉體，并將所述基體陶瓷粉體的原始混合粉體在850℃～900℃下加熱保溫1～3小時(shí)得到所述基體陶瓷粉體。

可選地，當(dāng)燒結(jié)溫度為1320℃，y＝z＝0時(shí)，隨著x的增加，所述壓電陶瓷材料的晶粒尺寸呈降低趨勢，所述壓電陶瓷材料的強(qiáng)場介電損耗呈降低趨勢，若x＝0，則所述壓電陶瓷材料在5kv/cm交流電場下的強(qiáng)場介電損耗為4.06％，若x＝1，則所述壓電陶瓷材料在5kv/cm交流電場下的強(qiáng)場介電損耗為2.74％，若x＝0.75，則所述壓電陶瓷材料在交流電場場強(qiáng)由1kv/cm變化至5kv/cm過程中引入的相對(duì)介電常數(shù)變化量為336；若x由0變化至0.25，則所述壓電陶瓷材料在5kv/cm交流電場下的強(qiáng)場介電損耗從4.06％降低到3.69％，所述壓電陶瓷材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)從1181提高到1621，所述壓電陶瓷材料在小信號(hào)下介電損耗從0.517％降低到0.447％，所述壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)變化不大。

可選地，當(dāng)燒結(jié)溫度為1220℃，x＝0.25，z＝0時(shí)，隨著y的增加，所述壓電陶瓷材料的晶粒尺寸呈增加趨勢，若y由0變化至0.15，則所述壓電陶瓷材料在5kv/cm交流電場下的強(qiáng)場介電損耗從3.69％降低到3.16％，所述壓電陶瓷材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)從1621提高到1809，所述壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)從331pc/n提高到368pc/n，所述壓電陶瓷材料的機(jī)電耦合系數(shù)從0.585提高到了0.626；若y＝0.50，則所述壓電陶瓷材料在交流電場場強(qiáng)由1kv/cm變化至5kv/cm過程中引入的相對(duì)介電常數(shù)變化量為256。

本發(fā)明實(shí)施例提供的壓電陶瓷材料在pms-pzt+0.25wt％ceo2體系的基礎(chǔ)上，摻雜適量的yb2o3可以降低陶瓷燒結(jié)溫度，以及改善pms-pzt+0.25wt％ceo2體系的損耗性能，例如y＝0.15時(shí)，5kv/cm交流電場下的介電損耗從3.69％降低到3.16％，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)1621提高到1809。y＝0.50時(shí)，可以將強(qiáng)場非線性由374降低至256。

可選地，當(dāng)燒結(jié)溫度為1180℃，x＝0.25，y＝0時(shí)，若z由0變化至0.2，則所述壓電陶瓷材料在5kv/cm交流電場下的強(qiáng)場介電損耗從3.69％降低到3.26％，所述壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)由331pc/n上升至359pc/n，所述壓電陶瓷材料的機(jī)電耦合系數(shù)由0.585上升為0.622；相比x＝y(tǒng)＝z＝0時(shí)壓電陶瓷材料的性能，當(dāng)x＝0.25，y＝0，z＝0.55時(shí)，所述壓電陶瓷材料在小信號(hào)下的介電損耗從0.517％降低到0.338％，所述壓電陶瓷材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)從1181提高到1475，所述壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)d33也從353pc/n上升到364pc/n。

本發(fā)明實(shí)施例提供的壓電陶瓷材料在pms-pzt+0.25wt％ceo2體系的基礎(chǔ)上，摻雜適量的bifeo3可以進(jìn)一步降低陶瓷燒結(jié)溫度，以及提升pms-pzt+0.25wt％ceo2體系的壓電性能，同時(shí)一定程度上改善了小信號(hào)下的損耗性能。例如z＝0.55時(shí)，小機(jī)械品質(zhì)因數(shù)從1181提高到1479，小信號(hào)下的介電損耗從0.517％降低到0.338％，壓電常數(shù)從353pc/n上升到364pc/n。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

本發(fā)明通過采用添加兩性稀土離子氧化物和硬性金屬化合物相結(jié)合的方法，在降低燒結(jié)溫度的同時(shí)還極大地減小了強(qiáng)場下的相對(duì)介電損耗和強(qiáng)場非線性。本發(fā)明實(shí)施例提供的壓電陶瓷材料具有較為優(yōu)良的小信號(hào)特性，具有高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)qm和低的介電損耗tanδ，同時(shí)還具有較高的壓電常數(shù)d33和機(jī)電耦合系數(shù)kp。本發(fā)明實(shí)施例提供的壓電陶瓷材料的壓電性能和損耗性能均符合大功率水聲換能器件的需求，是一種性能較優(yōu)的壓電陶瓷材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的壓電陶瓷材料的制備方法流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的pms-pzt+0.25wt％ceo2+zwt％(0≤z≤0.55)bifeo3在1180℃燒結(jié)的的陶瓷樣品的xrd圖譜；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的pms-pzt+xwt％ceo2(0≤x≤1)的sem對(duì)比示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的pms-pzt+0.25wt％ceo2+ywt％yb2o3(0≤y≤0.9)的sem對(duì)比示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

在本發(fā)明實(shí)施例中，用化學(xué)通式：pb0.98sr0.02(mn1/3sb2/3)0.08zr0.47ti0.45o3+xwt％ceo2+ywt％yb2o3+zwt％bifeo3表示壓電陶瓷材料的組成，式中pb0.98sr0.02(mn1/3sb2/3)0.08zr0.47ti0.45o3表示陶瓷的基體粉體，xwt％表示ceo2(氧化鈰)占基體陶瓷粉體的重量百分比，ywt％表示yb2o3(氧化鐿)占基體陶瓷粉體的重量百分比，zwt％表示bifeo3(鐵酸鉍)占基體陶瓷粉體的重量百分比，0≤x≤1，0≤y≤0.9，0≤z≤0.55。其中，當(dāng)z＝0時(shí)，0.05≤y≤0.9(yb2o3)；當(dāng)y＝0時(shí)，0.10≤z≤0.55(bifeo3)。

本發(fā)明實(shí)施例提供的制備上述的壓電陶瓷材料的方法包括混料、預(yù)燒、造粒、壓片、燒結(jié)、涂銀、極化等工藝步驟。通過在基體陶瓷粉體中添加ceo2、yb2o3或bifeo3中的至少一種摻雜物，可以將陶瓷的最佳燒結(jié)溫度從1320℃降至1180℃，并能獲得大的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(qm高達(dá)1809)、小的介電損耗(tanδ低至0.338％)、大的壓電常數(shù)(d33高達(dá)368pc/n)、以及大的機(jī)電耦合系數(shù)(kp高達(dá)0.626)，并且在保證良好的壓電性能的同時(shí)，極大地降低了強(qiáng)場下介電損耗(5kv/cm場強(qiáng)下介電損耗由4.06％減小至2.74％)，提高了壓電陶瓷強(qiáng)場穩(wěn)定性，滿足大功率發(fā)射型水聲換能器對(duì)陶瓷材料的應(yīng)用要求。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的壓電陶瓷材料的制備方法流程圖，包括如下步驟：

(1)預(yù)合成粉體制備:將分析純pb3o4、srco3、mno2、sb2o3、zro2、tio2粉體作為原料，按通式的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行配料，用去離子水作為球磨介質(zhì)，球磨6小時(shí)，烘干過篩后，在850～900℃預(yù)燒2小時(shí)，得到基體陶瓷材料的預(yù)合成粉料。

需要說明的是，將基體陶瓷粉體的原始混合粉體在850℃～900℃下加熱保溫1～3小時(shí)，是為了使得基體粉體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得到基體主晶相四方鈣鈦礦相。

(2)壓電陶瓷的制備:以預(yù)合成基體陶瓷粉體的總重量來計(jì)算，按照通式所示重量百分比添加分析純ceo2，yb2o3，bifeo3粉體中的一種或幾種組合作為摻雜劑，以去離子水作為球磨介質(zhì)再次球磨6小時(shí)，烘干后用pva造粒，在50～100mpa下壓成ф15mm×1mm坯片，之后將坯片在空氣氣氛中1180～1320℃下保溫2～3小時(shí)，燒結(jié)制得壓電陶瓷材料。

(3)燒銀:將陶瓷樣品兩個(gè)表面用絲網(wǎng)涂上中溫銀漿，將涂好銀漿的樣品放入電爐中煅燒，溫度為550℃，保溫15分鐘。

(4)極化:將上好電極的陶瓷樣品放入硅油中，在陶瓷樣品上加上強(qiáng)電場進(jìn)行極化。極化溫度為120℃，極化電壓為4kv/mm，極化時(shí)間為20分鐘。

在本發(fā)明實(shí)施例中，將采用上述方法制備的壓電陶瓷材料進(jìn)行如下的性能測試：

(1)壓電陶瓷微觀結(jié)構(gòu)分析

本發(fā)明采用jsm-7600f型掃描電鏡，對(duì)燒結(jié)后的斷裂面進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。觀察陶瓷斷面的晶粒大小，晶界厚度以及陶瓷的致密程度。

(2)壓電陶瓷的相組成分析

本發(fā)明采用xrd來進(jìn)行陶瓷的物相結(jié)構(gòu)分析。使用的儀器是日本shimadzuxrd-7000型x-ray衍射儀，測試參數(shù)：10°～80°，掃描速率5°/min，步長0.020°。如圖2所示為配方pms-pzt+0.25wt％ceo2+zwt％bifeo3在1180℃燒結(jié)的的陶瓷樣品的xrd圖譜，由xrd圖譜可知，該組所有的樣品都合成了純的四方鈣鈦礦相，沒有第二相產(chǎn)生。說明在基體陶瓷粉體的基礎(chǔ)上摻雜ceo2，yb2o3，bifeo3等粉體材料未引入新的雜相。即本發(fā)明實(shí)施例提供的壓電陶瓷材料的主晶相為四方鈣鈦礦相。

(3)壓電陶瓷介電性能測試

將上好電極的壓電陶瓷樣品放在agilent4192a型阻抗分析儀上測試室溫環(huán)境下測試頻率為1khz，小信號(hào)電壓為1v下的電容值以及介電損耗。然后根據(jù)公式(1)計(jì)算壓電陶瓷材料的相對(duì)介電常數(shù)εr：

在此公式中，c為材料電容值，a為樣品上下表面面積，t為樣品的厚度，d為樣品上下表面的直徑，ε0為真空介電常數(shù)。

(4)壓電陶瓷的壓電性能測試

本實(shí)驗(yàn)測試的陶瓷樣品是ф15mm×1mm薄圓片。使用的測試儀器是安捷倫公司生產(chǎn)的hp4192型精密阻抗分析儀，測試陶瓷樣品的諧振頻率fs和反諧振頻率fp，以及諧振頻率的最小阻抗zmin。之后按照國標(biāo)《gb2414-81》壓電材料性能測試方法來測試壓電陶瓷的壓電參數(shù)。壓電參數(shù)通過以下公式確定。

(a)平面機(jī)電耦合系數(shù)kp

kp與圓片徑向振動(dòng)的串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp之間的關(guān)系比較復(fù)雜，一般不直接計(jì)算，而是測定fp、fs，通過(fp-fs)/fs＝δf/fs及泊松比σ來查表，得到kp值。

(b)壓電系數(shù)d33

本實(shí)驗(yàn)中壓電陶瓷的壓電系數(shù)d33均采用中國科學(xué)院聲學(xué)研究所生產(chǎn)的zj-3a準(zhǔn)靜態(tài)d33測試儀進(jìn)行測量。

(5)壓電陶瓷的強(qiáng)場性能測試

通過上海楊高電氣有限公司生產(chǎn)的qs89型強(qiáng)場損耗測試儀測量出1khz、不同電場強(qiáng)度(1kv/cm、2kv/cm、3kv/cm、4kv/cm和5kv/cm)下的電容及介電損耗值，并根據(jù)公式(1)算出強(qiáng)電場下的相對(duì)介電常數(shù)。隨著施加場強(qiáng)的增加，強(qiáng)場介電常數(shù)和介電損耗也隨之增加，我們要求得到在最大場強(qiáng)5kv/cm時(shí)盡可能小的強(qiáng)場介電損耗值和更小的強(qiáng)場非線性。

本發(fā)明根據(jù)大功率壓電器件的要求對(duì)具有低損耗、好的強(qiáng)場穩(wěn)定性以及低的強(qiáng)場非線性的硬性材料配方進(jìn)行了研究?；w陶瓷粉體pb0.98sr0.02(mn1/3sb2/3)0.08zr0.47ti0.45o3屬于銻錳-鋯鈦酸鉛三元系(pms-pzt)，本發(fā)明選取pms-pzt作為基本配方，探討了ceo2摻雜對(duì)于陶瓷結(jié)構(gòu)及小信號(hào)性能、強(qiáng)場損耗特性、強(qiáng)場非線性的影響，并在ceo2摻雜的基礎(chǔ)上，分別研究了yb2o3和bifeo3摻雜對(duì)于pms-pzt+ceo2陶瓷結(jié)構(gòu)及性能的影響。

下面結(jié)合具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)、完整的說明。表1至表6是按照前述化學(xué)通式和制備方法，在不同組成配比和燒結(jié)溫度的性能比較，其中，表1和表2分別為化學(xué)式配比為pms-pzt+xwt％ceo2(0≤x≤1)的樣品在1320℃燒結(jié)條件下的小信號(hào)性能對(duì)比表和強(qiáng)場性能對(duì)比表；表3和表4分別為化學(xué)式配比為pms-pzt+0.25wt％ceo2+ywt％yb2o3(0≤y≤0.9)的樣品在1220℃燒結(jié)溫度條件下的小信號(hào)性能對(duì)比表和強(qiáng)場性能對(duì)比表；表5—表6分別為化學(xué)式配比為pms-pzt+0.25wt％ceo2+zwt％bifeo3(0≤z≤0.55)的樣品在1180℃燒結(jié)條件下的小信號(hào)性能對(duì)比表和強(qiáng)場性能對(duì)比表。

表1不同ceo2配比的樣品在燒結(jié)溫度為1320℃條件下的小信號(hào)性能對(duì)比

表2不同ceo2配比的樣品在燒結(jié)溫度為1320℃條件下的強(qiáng)場性能對(duì)比

本發(fā)明研究了從1220℃-1320℃燒結(jié)溫度區(qū)間內(nèi)的摻雜不同含量ceo2的pms-pzt壓電陶瓷的小信號(hào)性能和強(qiáng)場性能，發(fā)現(xiàn)1320℃燒結(jié)的組分性能最好，故僅列出1320℃燒結(jié)溫度下的相關(guān)性能(見表1、2)。

根據(jù)圖3所示的pms-pzt+xwt％ceo2(0≤x≤1)的sem對(duì)比圖可知，隨著ceo2的添加，晶粒尺寸明顯減小，同時(shí)晶粒更加均勻致密，其中，圖3中(a)-(e)分別對(duì)應(yīng)表1中x＝0,0.25,…,1.00所示配方得到的壓電陶瓷材料的sem圖。但結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)可知，摻雜過多的ceo2不利于壓電性能的提高，如表1所示，隨著ceo2摻雜量的提高，壓電常數(shù)d33不斷減小，同時(shí)機(jī)電耦合系數(shù)kp也呈降低趨勢。但是整體而言，摻雜ceo2得到的壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)d33大于或等于312，機(jī)電耦合系數(shù)kp大于或等于0.56，滿足大功率壓電陶瓷材料的壓電性能需求。另外，ceo2的添加極大的降低了pms-pzt陶瓷的強(qiáng)場介電損耗，如表2所示，1320℃燒結(jié)時(shí)，未添加ceo2的pms-pzt陶瓷在5kv/cm交流電場下的強(qiáng)場介電損耗為4.06％(見實(shí)施例1)，而摻雜1wt％ceo2的pms-pzt陶瓷在相同條件下時(shí)強(qiáng)場介電損耗僅為2.74％(見實(shí)施例5)。當(dāng)x＝0.75時(shí)，1kv/cm交流電場下的相對(duì)介電常數(shù)為1581，而5kv/cm交流電場下的相對(duì)介電常數(shù)為1917，相對(duì)介電常數(shù)的變化量為336，因此材料的強(qiáng)場非線性較低。當(dāng)摻雜少量的ceo2時(shí)，如x＝0.25(見實(shí)施例2)，相比x＝0能夠在降低強(qiáng)場介電損耗的同時(shí)(5kv/cm交流電場下的強(qiáng)場介電損耗從4.06％降低到3.69％)，大大提高材料的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(qm從1181提高到1621)并且有效降低小信號(hào)下介電損耗(tanδ從0.517％降低到0.447％)，同時(shí)也維持了一定的壓電性能(d33只從353降低到331，kp只從0.618降低到0.585)。滿足水聲換能器的基本要求。

綜上，在pms-pzt體系的基礎(chǔ)上，摻雜適量的ceo2可以改善pms-pzt體系的損耗性能，同時(shí)對(duì)壓電性能的影響較低，使得pms-pzt+xwt％ceo2(0≤x≤1)體系壓電陶瓷材料的壓電性能滿足大功率水聲換能器的需求，同時(shí)相比pms-pzt體系大大降低了小信號(hào)和強(qiáng)場下的介電損耗，且提升了機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。

表3不同yb2o3配比的樣品在燒結(jié)溫度為1220℃條件下的小信號(hào)性能對(duì)比

表4不同yb2o3配比的樣品在燒結(jié)溫度為1220℃條件下的強(qiáng)場性能對(duì)比

在ceo2摻雜的基礎(chǔ)上，本發(fā)明同時(shí)研究了燒結(jié)溫度區(qū)間為1200℃-1280℃的摻雜不同含量yb2o3的pms-pzt壓電陶瓷小信號(hào)性能和強(qiáng)場性能，我們列出了性能最好的在1220℃燒結(jié)的組分(見表3、4)。由于1200℃-1280℃燒結(jié)的壓電陶瓷材料的壓電性能和損耗性能均滿足大功率水聲換能器的需求，可知，摻雜yb2o3能夠有效降低配方的最佳燒結(jié)溫度(從1320℃降低到了1220℃)。

根據(jù)圖4所示的pms-pzt+0.25wt％ceo2+ywt％yb2o3(0≤y≤0.9)的sem對(duì)比圖可知，隨著yb2o3含量的增加，晶粒尺寸也隨之增大，但是過量的yb2o3會(huì)導(dǎo)致晶粒過分長大，晶界分布不明顯，其中，圖4中(a)-(e)分別對(duì)應(yīng)表3中y＝0.05,0.15,…,0.90所示配方得到的壓電陶瓷材料的sem圖。而適量的yb2o3摻雜能夠有效提高陶瓷的綜合性能，其中，y＝0.15時(shí)(見實(shí)施例7)，能夠在上述最佳實(shí)施例2的基礎(chǔ)上獲得一個(gè)更低的強(qiáng)場介電損耗(5kv/cm交流電場下的介電損耗從3.69％降低到3.16％)，同時(shí)，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)也得到很大的提高(qm從1621提高到1809)，并且壓電性能得到了大的提升(壓電常數(shù)d33也從331pc/n提高到了368pc/n，機(jī)電耦合系數(shù)kp也從0.585提高到了0.626)。同時(shí)，當(dāng)y＝0.50時(shí)(見實(shí)施例9)，能夠獲得比實(shí)施例2更低的強(qiáng)場非線性(1kv/cm交流電場下的相對(duì)介電常數(shù)為1146，而5kv/cm交流電場下的相對(duì)介電常數(shù)為1402，只變化了256，實(shí)施例2對(duì)應(yīng)的相對(duì)介電常數(shù)變化量為374)。更低的強(qiáng)場非線性可以在保證大功率水聲換能器的較高工作效率的同時(shí)有效緩解換能器過熱問題，有利于提高換能器的使用壽命和工作精度。

綜上，在pms-pzt+0.25wt％ceo2體系的基礎(chǔ)上，摻雜適量的yb2o3可以降低陶瓷燒結(jié)溫度，以及改善pms-pzt+0.25wt％ceo2體系的損耗性能，例如y＝0.15時(shí)，5kv/cm交流電場下的介電損耗從3.69％降低到3.16％，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)1621提高到1809。y＝0.50時(shí)，可以將強(qiáng)場非線性由374降低至256。

表5不同bifeo3配比的樣品在燒結(jié)溫度為1180℃條件下的小信號(hào)性能對(duì)比

表6不同bifeo3配比的樣品在燒結(jié)溫度為1180℃條件下的強(qiáng)場性能對(duì)比

本發(fā)明研究了燒結(jié)溫度區(qū)間為1140℃-1260℃的摻雜不同含量bifeo3的pms-pzt壓電陶瓷小信號(hào)性能和強(qiáng)場性能，發(fā)現(xiàn)1140℃-1260℃燒結(jié)的壓電陶瓷材料的壓電性能和損耗性能均滿足大功率水聲換能器的需求，其中1180℃燒結(jié)的組分的壓電性能和損耗性能最好，因此添加bifeo3后可以將pms-pzt+0.25wt％ceo2體系的最佳燒結(jié)溫度由1320℃降低到1180℃，該燒結(jié)溫度下的小信號(hào)性能和強(qiáng)場性能如表5、表6所示。

本發(fā)明實(shí)施例發(fā)現(xiàn)，添加0.20wt％的bifeo3時(shí)(實(shí)施例12)，能夠在實(shí)施例2的基礎(chǔ)上降低強(qiáng)場介電損耗(5kv/cm交流電場下的介電損耗從3.69％降低到3.26％)，并且壓電性能也有所提升(d33由331pc/n上升為359pc/n，kp由0.585上升為0.622)。而當(dāng)摻雜z＝0.55的bifeo3時(shí)(實(shí)施例14)，和沒有改性的pms-pzt壓電陶瓷基體相比(實(shí)施例1)，雖然大功率下的強(qiáng)場性能稍有下降，但是其小信號(hào)下的損耗性能表現(xiàn)的十分優(yōu)異(qm從1181提高到1479，小信號(hào)下的介電損耗tanδ從0.517％降低到0.338％)；壓電常數(shù)d33也從353pc/n上升到364pc/n。

綜上，在pms-pzt+0.25wt％ceo2體系的基礎(chǔ)上，摻雜適量的bifeo3可以進(jìn)一步降低陶瓷燒結(jié)溫度，以及提升pms-pzt+0.25wt％ceo2體系的壓電性能，同時(shí)一定程度上改善了小信號(hào)下的損耗性能。例如z＝0.55時(shí)，小機(jī)械品質(zhì)因數(shù)從1181提高到1479，小信號(hào)下的介電損耗從0.517％降低到0.338％，壓電常數(shù)從353pc/n上升到364pc/n。

與沒有改性的pms-pzt壓電陶瓷相比，本發(fā)明的大功率壓電陶瓷材料可以通過不同的稀土金屬氧化物以及硬性氧化物摻雜獲得優(yōu)異的損耗特性：tanδ低至0.338％,qm高達(dá)1809；并且使得燒結(jié)溫度從1320℃降至1180℃；特別是得到了優(yōu)異的強(qiáng)場性能：3kv/cm下的介電損耗tanδ＝1.49％，5kv/cm下的介電損耗tanδ＝2.74％；并且也獲得了十分優(yōu)異的壓電性能：壓電常數(shù)d33高達(dá)368pc/n，機(jī)電耦合系數(shù)kp高達(dá)0.626，滿足發(fā)射型水聲換能器對(duì)大功率壓電陶瓷材料的應(yīng)用要求，特別是大大降低了大功率壓電換能器在高驅(qū)動(dòng)條件下的過熱問題，強(qiáng)場下較低的非線性也使得大功率換能器能夠長時(shí)間穩(wěn)定工作，良好的壓電性能也使得壓電換能器具備高的信號(hào)轉(zhuǎn)換效率，有利于大功率壓電陶瓷材料的工業(yè)化推廣使用。

以上，僅為本申請較佳的具體實(shí)施方式，但本申請的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本申請揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本申請的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本申請的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。