一種錳銻酸鉛摻雜的鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于電子元器件行業(yè)的壓電陶瓷材料，特別是涉及鈮鎳-鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電陶瓷是一類(lèi)極其重要的電子功能材料，廣泛應(yīng)用于微位移驅(qū)動(dòng)器、壓電傳感器、超聲換能器、電容器、濾波器等方面。壓電陶瓷的性能優(yōu)劣直接影響到器件的性能，因此關(guān)于原材料的性能研宄非常重要。
[0003]上世紀(jì)40年代人們?cè)谘绣掣呓殡娾佀猁}時(shí)發(fā)現(xiàn)了鈦酸鋇陶瓷(BaT13)。作為一種多晶材料，它在經(jīng)過(guò)電場(chǎng)處理后具有很大的壓電常數(shù)，鈦酸鋇是最早發(fā)現(xiàn)的壓電陶瓷材料，也是最先用作壓電變壓器的單元系壓電陶瓷材料。但是，8&1103較低的居里溫度(Tc=120°C )限制了其使用的溫度范圍，因此人們依舊在尋找性能更優(yōu)異的壓電陶瓷。1955年，B.Jaffe等發(fā)現(xiàn)了一種二元組分的壓電陶瓷材料鈦鋯酸鉛(Pb (Zr，Ti) O3, PZT)，這種材料的壓電性能更為優(yōu)越。PZT是由鐵電相PbT13和反鐵電相PbZrO 3構(gòu)成的連續(xù)固溶體，其結(jié)構(gòu)同BaT13—樣，均為ABO 3鈣鈦礦型。對(duì)PZT的研宄主要集中在Zr/Ti比為0.48?0.52的組分范圍內(nèi)，在該范圍內(nèi)存在著一條準(zhǔn)同型相界(Morphotropic Phase Boundary，MPB)，組分落在MPB上的陶瓷顯示出優(yōu)異的壓電性能。以PZT為基礎(chǔ)，可以向其中加入復(fù)合鈣鈦礦型化合物形成3元乃至4元體系壓電陶瓷。1965年，日本學(xué)者Hiromu Ouchi等通過(guò)在PZT中添加第三種組分鈮鎂酸鉛Pb (Mg1/3Nb2/3) O3，研制成第一種商用三元系壓電陶瓷材料(PMN-PZT)。三元系壓電陶瓷的燒結(jié)過(guò)程易控制，壓電和介電性能相比于二元系PZT更加優(yōu)異，在電子元器件領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。常用的三元系壓電陶瓷有PMN-PZT (鈮鎂-鋯鈦酸鉛)、PNN-PZT (鈮鎳-鋯鈦酸鉛)、PZN-PZT (鈮鋅-鋯鈦酸鉛)等。
[0004]鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PNN-PZT)是弛豫鐵電體鈮鎳酸鉛(PNN)與鐵電陶瓷鋯鈦酸鉛(PZT)所組成的固溶體。該體系壓電陶瓷最早由E.A.Buyanova等在1965年報(bào)道，具有較高的壓電系數(shù)(d33)、介電系數(shù)(\)、機(jī)電耦合系數(shù)(kp)和寬的相變區(qū)域，在壓電驅(qū)動(dòng)器、換能器等領(lǐng)域有著非常廣泛的用途。但是該類(lèi)陶瓷也存在的不少缺點(diǎn)，比如力學(xué)性能較差，機(jī)械加工性能有待提高，壓電系數(shù)(場(chǎng)致應(yīng)變性能)需要進(jìn)一步優(yōu)化，合成過(guò)程中不易得到純相，容易產(chǎn)生焦綠石相等問(wèn)題。
[0005]專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?5119626.X的“壓電陶瓷組成物”的專(zhuān)利申請(qǐng)，公開(kāi)了一種基于A位取代的PNN-PZT壓電陶瓷，具有高的機(jī)電耦合系數(shù)和令人滿(mǎn)意的機(jī)械強(qiáng)度，適合應(yīng)用于蜂鳴片中。但是該專(zhuān)利分析的材料性能參數(shù)有限，只包括了三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度和機(jī)電耦合系數(shù)(kp)，無(wú)法適合于該類(lèi)陶瓷在其它場(chǎng)合的應(yīng)用例如:微位移驅(qū)動(dòng)器，傳感器等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種具有高壓電系數(shù)和良好力學(xué)性能的鈮鎳-鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷(PNN-PZT)，適合于微位移驅(qū)動(dòng)器、傳感器、蜂鳴片等器件的應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:本發(fā)明提供一種錳銻酸鉛(PMS)摻雜的鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PNN-PZT)，其化學(xué)組成為:(1-X)Pb (Ni1/3Nb2/3)Q.5ZryTiQ.5_y03-XPbMn1/3Sb2/303，式中，x、y為摩爾含量，數(shù)值分別為X = 0.0-0.06，y = 0.10-0.20。
[0008]作為優(yōu)選方案，本發(fā)明提供的錳銻酸鉛摻雜鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其組成為(1-x) Pb (Niv3Nby3)a5Zrtl.MTia36O3-XPbMiv3Slv3O3,其中 x = 0.0-0.04。
[0009]作為優(yōu)選方案，本發(fā)明提供的錳銻酸鉛摻雜鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，按化學(xué)式(l-x)Pb (Ni1/3Nb2/3) I5ZryTia 5_y03-xPbMn1/3Sb2/303，x = 0.0-0.04，y = 0.14 的化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)取原料 Pb304、ZrO2, T12, N1, Nb2O5, MnO2, Sb2O3,球磨混合后在 800-900°C預(yù)燒合成。
[0010]作為優(yōu)選方案，本發(fā)明提供的錳銻酸鉛摻雜鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，在合成的過(guò)程中，Pb3O4過(guò)量不超過(guò)2.0wt %，鈮鎳元素的引入以NiNb 206的形式，該化合物由N1、Nb2O5在1000 °C預(yù)先合成。
[0011]作為優(yōu)選方案，本發(fā)明提供的錳銻酸鉛摻雜鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，具有單一的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
[0012]另外，本發(fā)明提供的錳銻酸鉛摻雜鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其制備方法包括以下步驟:
[0013]步驟(I)、將分析純級(jí)N1和Nb2O5按比例稱(chēng)量后，球磨混合，烘干，過(guò)篩后在1000°C燒結(jié) 6h，得到 NiNb2O6;
[0014]步驟⑵、將步驟(I)得到的NiNb2O6,與Pb304、ZrO2, T12, MnO2, Sb2O3按化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)量后，球磨混合，烘干，過(guò)40目篩后，壓片，在860°C燒結(jié)2h ；
[0015]步驟(3)、將步驟⑵得到的原料塊，碾碎，球磨，烘干，過(guò)篩后，加入一定量的PVA水溶液造粒；
[0016]步驟⑷、將步驟(3)得到的陶瓷粉體，模壓成型，得到生坯片；
[0017]步驟(5)、將步驟(4)得到的生坯片先在600°C脫脂，然后在1250°C燒結(jié)2h，得到陶瓷片；
[0018]步驟(6)、將步驟(5)得到的陶瓷片進(jìn)行拋光、表面被銀和極化處理。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:提高了 PNN-PZT基壓電陶瓷的壓電系數(shù)和力學(xué)性能，改善了該陶瓷的機(jī)械加工性能。在PNN-PZT陶瓷中通過(guò)PMS的摻雜，可以得到的性能為壓電系數(shù) d33*= 898-1036pm/V (E = lkV/mm)、機(jī)械親合系數(shù) k p= 0.56-0.48、介電損耗 tan δ=1.8-0.4% (IkHz),楊氏模量 E = 98-135GPa、硬度 H = 5.9-6.7GPa、斷裂韌性 Kic=1.24-1.72Mpa.m1/2，使得該類(lèi)陶瓷能夠廣泛應(yīng)用于微位移驅(qū)動(dòng)器、傳感器、蜂鳴片等領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是錳銻酸鉛摻雜鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的XRD圖譜；
[0021]圖2是錳銻酸鉛摻雜鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的掃描電鏡圖；
[0022]圖3是錳銻酸鉛摻雜鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的壓電系數(shù)，楊氏模量和斷裂韌性隨PMS含量的關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
:
[0023]下面結(jié)合附圖以及實(shí)施例對(duì)本專(zhuān)利做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0024]實(shí)施例1
[0025]本發(fā)明以分析純級(jí)Pb304、ZrO2, T12, MnO2, Sb203、N1、Nb2O5為原材料，按照化學(xué)式(1-x) Pb (Ni1/3Nb2/3)Q.5ZryTiQ.5_y03-XPbMn1/3Sb2/303 (其中 y = 0.14，x = 0.01，Pb3O4過(guò)量1.8wt% )稱(chēng)取原材料之后，放入球磨罐中，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，球磨24h后，將得到的漿料放入烘箱烘干，過(guò)40目篩，在860°C預(yù)燒2h。將預(yù)燒得到的粉料破碎，球磨，烘干之后過(guò)120目篩，然后加入一定量的3wt% PVA水溶液造粒，模壓成型，在600°C停留2h排膠，然后在1250°C燒結(jié)2h。圖2為燒結(jié)得到的陶瓷的斷面掃描電鏡圖，界面致密，氣孔率低，晶粒大小均勻，尺寸在2微米左右，無(wú)其它任何雜相。將燒好的陶瓷片拋光，燒銀電極之后，在75°C極化15min。靜置24h之后，進(jìn)行電學(xué)性能和機(jī)械性能測(cè)試，得到的結(jié)果分別為:壓電系數(shù)d33*=1058pm/V (E = lkV/mm)、機(jī)械親合系數(shù) kp= 0.54、介電損耗 tan δ = 0.7% (IkHz),楊氏模量 E = 101.7GPa、硬度 H = 6.4GPa、斷裂韌性 Kic= 1.4IMpa.m 1/2。
[0026]實(shí)施例2
[0027]本發(fā)明以分析純級(jí)Pb304、ZrO2, T12, MnO2, Sb2O3.N1、Nb2O5為原材料，按照化學(xué)式(1-x) Pb (Nil73Nb273) ο.5ZryTi0.S^yO3-XPbMnl73Sb273O3 (其中 y = 0.14，x = 0.02，Pb3O4過(guò)量1.8wt% )稱(chēng)取原材料之后，放入球磨罐中，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，球磨24h后，將得到的漿料放入烘箱烘干，過(guò)40目篩，在860°C預(yù)燒2h。將預(yù)燒得到的粉料破碎，球磨，烘干之后過(guò)120目篩，然后加入一定量的3wt% PVA水溶液造粒，模壓成型，在600°C停留2h排膠，然后在1250°C燒結(jié)2h。圖1為燒結(jié)得到的陶瓷的XRD圖譜，陶瓷顯示為純鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，無(wú)焦綠石雜相。將燒好的片拋光，燒銀電極之后，在75°C極化15min。靜置24h之后，進(jìn)行電學(xué)性能和力學(xué)性能測(cè)試，得到的結(jié)果分別為:壓電系數(shù)d33*= 1036pm/V(E = lkV/mm)、機(jī)械耦合系數(shù)kp= 0.53、介電損耗 tan δ = 0.4% (IkHz),楊氏模量 E = 120.8GPa、硬度 H = 6.7GPa、斷裂韌性Kic= 1.44Mpa.m1/2。圖3所示為y = 0.14，x = 0.0-0.04時(shí)，該體系壓電陶瓷的性能與PMS含量之間的關(guān)系，從圖中可以看出PMS的加入可以有效提高陶瓷的壓電性能和力學(xué)性能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種錳銻酸鉛(PMS)摻雜的鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PNN-PZT)，其配方組成為:(1-x)Pb (Nil73Nb273) 0.5ZryT1.S-Y0S-xPbMnl73Sb273O3,式中，x、y 為摩爾含量，數(shù)值分別為 x =0.0—0.06，y = 0.10-0.20。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錳銻酸鉛(PMS)摻雜的鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PNN-PZT)，其配方組成為(1-x) Pb (NimNtv3)a5Zrai4Tia36O3-XPbMnv3Slv3O3,其中 x = 0.0-0.04。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錳銻酸鉛(PMS)摻雜的鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PNN-PZT)，其特征在于，按化學(xué)式(1-x) Pb (Ni1/3Nb2/3)Q.5ZryTiQ.5_y03-XPbMn1/3Sb2/303，x = 0.0-0.04，y = 0.14的化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)取原料Pb304、ZrO2, T12, N1、Nb2O5' MnO2, Sb2O3，球磨混合后在800-900 °C預(yù)燒合成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錳銻酸鉛(PMS)摻雜的鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PNN-PZT)，其特征在于，在合成的過(guò)程中，Pb3O4過(guò)量不超過(guò)2.0wt%，鈮鎳元素的引入以NiNb 206的形式，該化合物由N1、Nb2O5在1000°C預(yù)先合成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錳銻酸鉛(PMS)摻雜的鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PNN-PZT)，其特征在于，具有單一的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
6.—種錳銻酸鉛(PMS)摻雜的鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PNN-PZT)，其制備方法包括以下步驟: 步驟(I)、將分析純級(jí)N1和Nb2O5按比例稱(chēng)量后，球磨混合，烘干，過(guò)篩后在1000°C燒結(jié) 6h，得到 NiNb2O6; 步驟⑵、將步驟⑴得到的NiNb2O6,與Pb304、ZrO2, T12, MnO2, Sb2O3按化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)量后，球磨混合，烘干，過(guò)40目篩后，壓片，在860°C燒結(jié)2h ； 步驟(3)、將步驟(2)得到的原料塊，碾碎，球磨，烘干，過(guò)篩后，加入一定量的PVA水溶液造粒； 步驟(4)、將步驟(3)得到的陶瓷粉體，模壓成型，得到生坯片； 步驟(5)、將步驟(4)得到的生坯片先在600°C脫脂，然后在1250°C燒結(jié)2h，得到陶瓷片; 步驟￠)、將步驟(5)得到的陶瓷片進(jìn)行拋光、表面被銀和極化處理。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種錳銻酸鉛(PMS)摻雜的鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PNN-PZT)，原料配方為：(1-x)Pb(Ni1/3Nb2/3)0.5ZryTi0.5-yO3-xPb(Mn1/3Sb2/3)O3，式中，x、y為摩爾含量，數(shù)值分別為x＝0.0-0.06，y＝0.10-0.20。本發(fā)明采用傳統(tǒng)的固相合成工藝，預(yù)燒溫度為800-900℃，燒結(jié)溫度為1000-1300℃，得到了新型的壓電陶瓷材料，此材料具有高的壓電系數(shù)(d33*～1000pm/V)以及優(yōu)異的力學(xué)性能(E～120GPa，K1C～1.44Mpa·m1/2)。本發(fā)明是一種以鋯鈦酸鉛為基礎(chǔ)的壓電陶瓷，具有高的壓電系數(shù)和優(yōu)異的力學(xué)性能。該新型壓電陶瓷主要用于微位移驅(qū)動(dòng)器、壓電傳感器、換能器等領(lǐng)域，具有很大的市場(chǎng)價(jià)值。
【IPC分類(lèi)】C04B35-622, C04B35-49
【公開(kāi)號(hào)】CN104844202
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510179552
【發(fā)明人】周佳駿, 張穎, 李海龍, 劉紅, 方敬忠
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
【公開(kāi)日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年4月16日