本申請(qǐng)涉及壓電陶瓷，尤其是涉及一種高性能鈦酸鉛壓電陶瓷及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、超聲檢測作為產(chǎn)品質(zhì)量檢測、控制、提高的重要手段，隨著各類新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝的出現(xiàn)與發(fā)展，逐漸對(duì)超聲檢測手段提出了更高的要求，期望超聲檢測具有更高的穩(wěn)定性、檢出率、信噪比、頻帶寬度和成像質(zhì)量，以滿足更微小缺陷的檢測與定量，同時(shí)也防止漏檢等情況的發(fā)生。壓電陶瓷作為超聲無損檢測換能器的核心部件，其性能指標(biāo)對(duì)整體探頭的靈敏度、分辨率有著至關(guān)重要的影響，理想情況是高kt、低kp、高d33。

2、但是，由于目前壓電陶瓷配方材料和制備工藝的限制，市面上常見鈦酸鉛d33僅在75-80，且kt較小僅為0.52，kp較大為0.2，無法滿足高d33以及kt遠(yuǎn)高于kp的指標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了改善壓電陶瓷的綜合壓電性能，提高壓電陶瓷機(jī)電耦合系數(shù)等參數(shù)，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N高性能鈦酸鉛壓電陶瓷及其制備方法。

2、第一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N高性能鈦酸鉛壓電陶瓷，采用如下的技術(shù)方案：

3、一種高性能鈦酸鉛壓電陶瓷，分子式為pb1-xax?ti1-ybyo3，所述a為取代pb2+的ca2+、ba2+、sr2+、la3+、sm3+中的至少一種，b為取代ti4+的co3+、nb5+、w6+、mo6+中的至少一種；其中，0.1＜x≤0.3，0＜y≤0.08。

4、通過采用上述技術(shù)方案，ca2+、ba2+、sr2+、la3+、sm3+與pb2+的離子半徑不同，適量的摻入能夠引起晶格畸變，促進(jìn)相界移動(dòng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)壓電陶瓷的相結(jié)構(gòu)，改善壓電陶瓷的介電和壓電性能，提高機(jī)電耦合系數(shù)、d33、g33。co3+、nb5+、w6+、mo6+的摻入可以改變ti4+的環(huán)境，增加四方相的穩(wěn)定，改善壓電陶瓷的介電、壓電性能及穩(wěn)定性，進(jìn)而提高壓電陶瓷的分辨率和壓電性能。通過鈮、鈣、鈷、鎢等元素對(duì)鈦酸鉛壓電陶瓷進(jìn)行改性，同時(shí)調(diào)節(jié)各個(gè)元素的摻入量，能夠提升壓電陶瓷的壓電常數(shù)，同時(shí)增加壓電陶瓷的致密度，提升壓電陶瓷的機(jī)電耦合系數(shù)和能量轉(zhuǎn)化效率。

5、優(yōu)選的，所述鈦酸鉛壓電陶瓷原料包括pb1-xax?ti1-ybyo3、燒結(jié)助劑和粘結(jié)劑，所述a為取代pb2+的ca2+、ba2+、sr2+、la3+、sm3+中的至少一種，b為取代ti4+的co3+、nb5+、w6+、mo6+中的至少一種；其中，0.1＜x≤0.3，0＜y≤0.08。

6、通過采用上述技術(shù)方案，燒結(jié)助劑能夠降低燒結(jié)溫度，增強(qiáng)壓電陶瓷的致密度，減少內(nèi)部缺陷，提高陶瓷體系的居里溫度，提高壓電陶瓷的耐久性。粘結(jié)劑能夠在壓電陶瓷過程中起到粘結(jié)粉末的作用，促進(jìn)陶瓷成型，增強(qiáng)壓電陶瓷的致密度和壓電性能。

7、優(yōu)選的，所述pb1-xax?ti1-ybyo3、燒結(jié)助劑和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為1：(0.01-0.03)：(0.1-0.2)。

8、優(yōu)選的，所述燒結(jié)助劑為氧化鎂，所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇。

9、通過采用上述技術(shù)方案，氧化鎂在燒結(jié)過程中可以形成液相，降低燒結(jié)活化能，減少氣孔，增強(qiáng)陶瓷的致密度，可以減少內(nèi)部缺陷，提高陶瓷的壓電性能。聚乙烯醇促使粉末在壓制過程中保持形狀，避免生坯在燒結(jié)前的變形，促進(jìn)均勻的顆粒分布，有利于提高燒結(jié)體的致密度和壓電性能。

10、第二方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N高性能鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，采用如下的技術(shù)方案：

11、一種高性能鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下具體步驟：將原料進(jìn)行烘干、球磨、破碎，在0.3-1t/cm2下預(yù)壓燒結(jié)，得到陶瓷塊，再將陶瓷塊磨細(xì)、離心噴霧造粒、壓制成型，將壓制好的瓷塊進(jìn)行排膠處理、燒結(jié)降溫、加工成型、被電極，得到被電極瓷片，在110-140℃的油中，階梯升壓至3-5kv/mm的電場，極化10-20min得到壓電陶瓷。

12、通過采用上述技術(shù)方案，預(yù)先對(duì)pb1-xax?ti1-ybyo3原材料進(jìn)行烘干、球磨、破碎，能夠細(xì)化原料顆粒，提高原料的均勻性和活性，增強(qiáng)原材料的比表面積，提高壓電陶瓷致密度，進(jìn)而改善壓電陶瓷的壓電性能。排膠處理可以去除生坯中的有機(jī)物，減少有機(jī)物在燒結(jié)過程中分解產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致氣孔和缺陷，進(jìn)而減少壓電陶瓷裂紋的產(chǎn)生，提高陶瓷致密度和壓電性能。

13、優(yōu)選的，所述被電極包括以下具體步驟：將加工成型好的瓷塊進(jìn)行表面清洗，再雙面被銀，然后在760-840℃下燒銀。

14、優(yōu)選的，所述排膠溫度為650-750℃。

15、優(yōu)選的，所述原料球磨過程中球磨介質(zhì)為水，球磨鋯珠粒徑為1-3mm，所述陶瓷塊磨細(xì)處理中球磨粒度d50為450-550nm。

16、優(yōu)選的，包括以下具體步驟：將pb1-xax?ti1-ybyo3原料和燒結(jié)助劑進(jìn)行烘干、球磨、破碎，加入粘結(jié)劑后在0.3-1t/cm2下預(yù)壓燒結(jié)，得到陶瓷塊，再將陶瓷塊磨細(xì)、離心噴霧造粒、壓制成型，將壓制好的瓷塊進(jìn)行排膠處理、燒結(jié)降溫、加工成型、被電極，得到被電極瓷片，在110-140℃的油中，階梯升壓至3-5kv/mm的電場，極化10-20min得到壓電陶瓷。

17、綜上所述，本申請(qǐng)具有以下有益效果：

18、1、由于本申請(qǐng)采用通過ca2+、ba2+、sr2+、la3+、sm3+的摻入，能夠調(diào)節(jié)壓電陶瓷的相結(jié)構(gòu)，提高壓電陶瓷的機(jī)電耦合系數(shù)、d33、g33系數(shù)。同時(shí)co3+、nb5+、w6+、mo6+的摻入可以改變ti4+的環(huán)境，促使壓電陶瓷具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率、更高的分辨率，增強(qiáng)壓電陶瓷的壓電性能。

19、2、本申請(qǐng)中采用將原料進(jìn)行烘干、球磨、破碎、預(yù)壓燒結(jié)，得到陶瓷塊，再將陶瓷塊細(xì)、離心噴霧造粒、壓制成型、排膠處理、燒結(jié)降溫、加工成型、被電極、極化，得到壓電陶瓷，制備工藝穩(wěn)定，操作方便，通過各個(gè)工藝步驟的改進(jìn)，能夠促使壓電陶瓷具有更高的機(jī)電耦合系數(shù)和壓電常數(shù)，減少介電損耗。

技術(shù)特征：

1.一種高性能鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在于，分子式為pb1-xax?ti1-ybyo3，所述a為取代pb2+的ca2+、ba2+、sr2+、la3+、sm3+中的至少一種，b為取代ti4+的co3+、nb5+、w6+、mo6+中的至少一種；其中，0.1＜x≤0.3，0＜y≤0.08。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在于，所述鈦酸鉛壓電陶瓷原料包括pb1-xax?ti1-ybyo3、燒結(jié)助劑和粘結(jié)劑，所述a為取代pb2+的ca2+、ba2+、sr2+、la3+、sm3+中的至少一種，b為取代ti4+的co3+、nb5+、w6+、mo6+中的至少一種；其中，0.1＜x≤0.3，0＜y≤0.08。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高性能鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在于，所述pb1-xax?ti1-ybyo3、燒結(jié)助劑和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為1：（0.01-0.03）：（0.1-0.2）。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高性能鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在于，所述燒結(jié)助劑為氧化鎂，所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇。

5.一種如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的高性能鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，包括以下具體步驟：將原料進(jìn)行烘干、球磨、破碎，在0.3-1t/cm2下預(yù)壓燒結(jié)，得到陶瓷塊，再將陶瓷塊磨細(xì)、離心噴霧造粒、壓制成型，將壓制好的瓷塊進(jìn)行排膠處理、燒結(jié)降溫、加工成型、被電極，得到被電極瓷片，在110-140℃的油中，階梯升壓至3-5kv/mm的電場，極化10-20min得到壓電陶瓷。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高性能鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述被電極包括以下具體步驟：將加工成型好的瓷塊進(jìn)行超聲表面清洗，再雙面被銀，然后在760-840℃下燒銀。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高性能鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述排膠溫度為650-750℃。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高性能鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述原料球磨過程中球磨介質(zhì)為水，球磨鋯珠粒徑為1-3mm，所述陶瓷塊磨細(xì)處理中球磨粒度d50為450-550nm。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高性能鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，包括以下具體步驟：將pb1-xax?ti1-ybyo3原料和燒結(jié)助劑進(jìn)行烘干、球磨、破碎，加入粘結(jié)劑后在0.3-1t/cm2下預(yù)壓燒結(jié)，得到陶瓷塊，再將陶瓷塊磨細(xì)、離心噴霧造粒、壓制成型，將壓制好的瓷塊進(jìn)行排膠處理、燒結(jié)降溫、加工成型、被電極，得到被電極瓷片，在110-140℃的油中，階梯升壓至3-5kv/mm的電場，極化10-20min得到壓電陶瓷。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及壓電陶瓷技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種高性能鈦酸鉛壓電陶瓷及其制備方法；一種高性能鈦酸鉛壓電陶瓷，分子式為Pb1?xAx?Ti1?yByO3，所述A為取代Pb2+的Ca2+、Ba2+、Sr2+、La3+、Sm3+中的至少一種，B為取代Ti4+的Co3+、Nb5+、W6+、Mo6+中的至少一種；其中，0.1＜x≤0.3，0＜y≤0.08；本申請(qǐng)通過鈮、鈣、鈷、鎢等元素對(duì)鈦酸鉛壓電陶瓷進(jìn)行改性，提高壓電陶瓷的機(jī)電耦合系數(shù)和壓電常數(shù)，厚向>>徑向機(jī)電耦合系數(shù)，進(jìn)而提高壓電陶瓷的分辨率和壓電性能。

技術(shù)研發(fā)人員：李新華,王昂
受保護(hù)的技術(shù)使用者：常州瞻馳光電科技股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9