CN101224978B - 改性pzt基高温压电陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改性PZT基高温压电陶瓷材料及其制备方法，材料的化学式为：Pb[(Zr_aTi_1-a)_x(M₁M₂)_y]O₃，其中：0.40≤a≤0.60，x+y＝1，0≤y≤0.2，M₁为2价金属元素，M₂为5价金属元素。居里温度Tc在380～400℃，压电常数d₃₃在280～300pC/N，平面机电耦合系数Kp在0.54～0.60，介电损耗tgδ在0.53％～0.62％。该新型材料从常温至高温可反复或长期使用，可应用于高温条件下的各种压电传感器、换能器元器件及电力测量、自动控制等领域。

Description

改性PZT基高温压电陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于功能陶瓷材料及其制备技术领域，具体来说是提供一种改性PZT基压电陶瓷新材料及其制备方法。

背景技术

自1880年J.居里和P.居里发现压电效应以来，压电学已成为现代科学与技术的一个重要领域。到目前为止，压电陶瓷材料已成为各技术领域不可缺少的重要功能材料，并已发展成为新兴的高技术产业。目前世界各国高度重视压电陶瓷材料的研究和开发，研究的重点主要是从已知材料中发掘新效应，开拓新应用，同时从控制材料组织和结构入手，寻找新的压电材料。

由于Pb(Zr，Ti)O₃(PZT)压电陶瓷材料具有优异的压电性能，是目前应用最广泛最成功的压电陶瓷材料之一，已被广泛用于制作压电驱动器、传感器、滤波器、微位移器、压电陀螺等电子元器件。当锆钛比处于三方相和四方相之间的准同型相界(MPB)区域时，材料的铁电压电性能较好，但居里点较低，为330℃左右，由于热激活老化过程，其安全使用温度被限制在居里温度的1/2处，使其应用只能局限在较低温度区域。

与传统的BaTiO₃系统相比，PZT压电陶瓷压电性能高，具有较好的机电耦合系数，较好的机械品质因数以及良好的温度稳定性和时间稳定性。但是，未经改性的PZT材料同样存在一些问题：一是烧结温度高，会引起铅的挥发，因而难以获得致密的烧结体和准确的化学计量比；再者，为获得较优的压电性能，在选择组分时，往往选在MPB附近，此时Kp具有最大值，但损耗比较大，因此就需要寻找合适的Zr/Ti比，但PZT二元系陶瓷的MPB相界组成为一点，其调节范围很窄，故而限制了应用。

现有居里温度高于PZT的压电陶瓷材料有LiNbO₃、BiFeO₃、CaBi₄Ti₄O₁₅、PbTiO₃等，它们的压电性能与PZT相比要差很多，致使难以得到广泛的应用。因此，在压电陶瓷领域中，将具有钙钛矿型结构，且居里点较高的化合物对PZT进行掺杂，从而获得高温压电陶瓷材料的研究成为热点之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种改性PZT基高温压电陶瓷材料及其制备方法，将具有相同钙钛矿结构的化合物对PZT进行掺杂改性，来提高压电材料的居里温度Tc，且使压电介电性在高温下具有较好的稳定性，从而拓宽PZT基压电材料的使用温度范围。

研究表明，压电材料的居里温度取决于其晶体结构，居里点的高低反映了其自发极化离子定向的稳定程度，或者表征了极化离子在某一参考温度下所处自由能的高低状态，自由能越低越稳定。而且自由能是由阴阳离子之间相互作用能的大小所决定，而相互作用能的大小又取决于离子间距及化学键的特性，离子间间距越小，化学键的结合力越强，就意味着只有在较高温度下才能使材料转入对称平衡状态，即材料的居里温度较高。

为了解决上述问题，本发明提供了一种改性PZT基高温压电陶瓷材料及其制备方法，该材料组合物可用下式表示：

Pb[(Zr_aTi_1-a)_x(M₁M₂)_y]O₃，其中：

0.40≤a≤0.60，x+y＝1，0≤y≤0.2；

M₁为Ni元素，M₂为Ta元素。

该材料的制备方法，其步骤如下：

(1)将原料按化学式Pb[(Zr_aTi_1-a)_x(M₁M₂)_y]O₃混合后球磨，然后在70～100℃烘干；

(2)将烘干后物料进行预烧，预烧温度750℃～950℃，保温时间1～3小时；

(3)将预烧过的物料进行二次球磨，得到平均粒径在1-2μm的的超细粉体；

(4)向二次研磨后的物料加入5～10wt％的PVA作为粘结剂，在8～15MPa压力下加压成型，获得陶瓷坯体；

(5)将上述坯体在500～800℃下排胶0.5～2h，而后在1050℃～1250℃烧结，保温时间1.5～4小时，获得压电陶瓷元件；

(6)压电陶瓷元件经被银，在700～900℃下烧银，并保温25～40min；

(7)将烧银后压电陶瓷元件放入极化设备中进行极化，极化时间15～30min，温度为100～150℃，极化电场为2～4kV/mm。

与现有技术相比，本发明在制备过程中采用中温的预烧方法，使配料组分中需要分解的组分充分分解，以减少烧成过程中的体积收缩，并初步进行固相反应，利于烧结时能完全形成主晶相；并采用了两次球磨，将原料磨成颗粒均匀细小、形状近球形且平均粒径在1-2μm的的超细粉体，有利于降低陶瓷材料的烧结温度。

烧结温度对压电陶瓷性能影响很大，直接关系到材料的压电性能，烧结温度过低，反应不完全，坯体不致密；烧结温度过高，组分中的挥发组分挥发量变大，不利于材料的压电性能，而本发明则采用了中、低温烧结，使坯体致密，样品强度较高，烧成后密度可达7.7g/cm³，有利于材料的压电性能。

本发明经过反复实验，确定了最优的极化制度，使铁电陶瓷多晶体中的铁电畴在外加直流电场作用下，沿电场方向定向排列，由各向同性转变为各向异性，显示出压电效应，压电陶瓷在必须极化之后才具有压电性，这也是制作压电陶瓷元件的最后一道工序。

本发明通过采用了上述多种技术手段完成了PZT的掺杂改性，提高了材料的居里点，进而提高了材料的使用温度，且使压电介电性在高温下具有较好的稳定性，拓宽了PZT基压电材料使用温度的范围，而且本发明制得的材料从常温至高温可反复或长期使用，可应用于高温条件下的各种压电传感器、换能器元器件及电力测量、自动控制等领域。

具体实施方式

实施例1：按化学式组成为Pb[(Zr₀₅₂Ti₀₄₈)₀₉₆(NiTa)₀₀₄]O₃进行称量，精确至0.001g。在XQM-4L型行星磨中球磨混合10h，放入烘箱中于80℃下烘干，将烘干后物料放入高纯氧化铝坩埚中进行预烧，预烧温度850℃，保温时间2小时；预烧后进行二次球磨，可获得平均粒径为1-2μm的超细粉体。向其中加入7wt％的聚乙烯醇(PVA)溶液，均匀混合后在10MPa压力下加压成型，获得陶瓷坯体。将坯体放入高温电炉内，在600℃下排胶1h，而后在1150℃烧结，保温时间2小时，获得压电陶瓷元件；压电陶瓷元件经被银，放入高温电炉内，在800℃下烧银，并保温30min；将烧银后压电陶瓷元件放入极化设备中进行极化，以2.7KV/mm的直流电场在硅油中极化20min，温度为120℃，待老化24h后进行性能测试。所得制品的测试结果为：压电常数d₃₃＝293pC/N，机电耦合系数Kp＝58％，居里温度Tc＝392℃，相对介电常数

介电损耗tgδ＜0.60％，体积密度＝7.72g/cm³。

实施例2：按化学式组成为Pb[(Zr_0.52Ti_0.48)_0.94(NiTa)_0.06]O₃进行称量，精确至0.001g。在XQM-4L型行星磨中球磨混合10h，放入烘箱中于80℃下烘干，将烘干后物料放入高纯氧化铝坩埚中进行预烧，预烧温度850℃，保温时间2小时；预烧后进行二次球磨，可获得平均粒径为1-2μm的超细粉体。向其中加入7wt％的聚乙烯醇(PVA)溶液，均匀混合后在10MPa压力下加压成型，获得陶瓷坯体。将坯体放入高温电炉内，在600℃下排胶1h，而后在1150℃烧结，保温时间2小时，获得压电陶瓷元件；压电陶瓷元件经被银，放入高温电炉内，在800℃下烧银，并保温30min；将烧银后压电陶瓷元件放入极化设备中进行极化，以2.7KV/mm的直流电场在硅油中极化20min，温度为120℃，待老化24h后进行性能测试。所得制品的测试结果为：压电常数d₃₃＝288pC/N，机电耦合系数Kp＝56％，居里温度Tc＝387℃，相对介电常数

介电损耗tgδ＜0.62％，体积密度＝7.70g/cm³。

Claims (2)

1.改性PZT基高温压电陶瓷材料，其化学式表示如下：

Pb[(Zr_aTi_1-a)_x(M₁M₂)_y]O₃，其中：0.40≤a≤0.60，x+y＝1，0≤y≤0.2；M1为Ni元素，M2为Ta元素。

2.如权利要求1所述的改性PZT基高温压电陶瓷材料的制备方法，其制备步骤如下：

(1)将原料按化学式Pb[(Zr_aTi_1-a)_x(M₁M₂)_y]O₃混合后球磨，然后在70～100℃烘干；

(2)将烘干后物料进行预烧，预烧温度750℃～950℃，保温时间1～3小时；

(3)将预烧过的物料进行二次球磨，得到平均粒径在1-2μm的的超细粉体；

(4)向二次研磨后的物料加入5～10wt％的PVA作为粘结剂，在8～15MPa压力下加压成型，获得陶瓷坯体；

(5)将上述坯体在500～800℃下排胶0.5～2h，而后在1050℃～1250℃烧结，保温时间1.5～4小时，获得压电陶瓷元件；

(6)压电陶瓷元件经被银在700～900℃下烧银，并保温25～40min；

(7)将烧银后压电陶瓷元件放入极化设备中进行极化，极化时间15～30min，温度为100～150℃，极化电场为2～4kV/mm。