CN101462877A - 高稳定低损耗发射压电陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

高稳定低损耗发射压电陶瓷材料及其制备方法 Download PDF

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张文斌
张仲猷
董显林
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Abstract

本发明涉及高稳定低损耗发射压电陶瓷材料及其制备方法，属于电子元器件制造领域。本发明基本化学组成为xPbTiO3+yPbZrO3+zBaTiO3+wSrTiO3+uCaFeO5/2；复合有fwt.％的Cr2O3和gwt.％的NiO或Bi2O3；其中0.30≤x≤0.50；0.40≤y≤0.70；0.01≤z≤0.10；0.01≤w≤0.10；0.0≤u≤0.10；0.01≤f≤0.30；0.01≤f≤0.50。本发明经配料混合、压块成型、预烧、烧结获得的材料的介电常数ε＝1200－1400、压电系数d33＝280～380pC/N、机械品质因数Qm＝400～600。本发明具有介电损耗低、晶粒细小、致密度高、机械强度高的特点，温度稳定性好，在超声换能器、特别是在石油声波测井领域具有广阔的应用前景。

Description

高稳定低损耗发射压电陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高稳定低损耗发射压电陶瓷材料及其制备方法，属于电子元器件制造领域。
背景技术
目前国内对于高温压电陶瓷材料已有一定的研究基础，但由于用于测井的压电换能器不仅要求在高温(～200℃)的环境下工作，而且必须在高压(～140Mpa)下可长时间(～8小时)稳定工作，而压电陶瓷的许多性能是相互制约的，要获得同时满足可在高温、高压条件下，长时间稳定工作、并具有较高接收灵敏度或者发射功率的压电陶瓷材料难度较大。可在0-180℃条件下稳定工作，在180℃时，换能器的性能参数变化小于5％。本发明基于提高材料的居里温度、压电性能及其温度稳定性，选择二元系PZT压电陶瓷材料为基本组成，锆钛比选取在准同型相界偏四方晶相一侧，通过Sr、Ba、Ca等元素的A位协同置换，以及Ni、Cr、Fe、Bi等多元素添加改性，结合等静压成型和氧化工艺提高材料的综合性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种满足石油声波测井换能器用高稳定低损耗发射压电陶瓷材料。
本发明高稳定低损耗发射压电陶瓷材料的基本化学组成为：
xPbTiO3+yPbZrO3+zBaTiO3+wSrTiO3+uCaFeO5/2
复合有fwt.％的Cr2O3和gwt.％的Ni0或Bi2O3
0.30≤x≤0.50；0.40≤y≤0.70；0.01≤z≤0.10；0.01≤w≤0.10；0.0≤u≤0.10；
0.01≤f≤0.30；0.01≤f≤0.50
将化学纯的Pb3O4，BaCO3，SrCO3，CaCO3，ZrO2，TiO2，NiO，Cr2O3，Fe2O3，Bi2O3按配方组成计算各组成物质量，加入等质量的去离子水，球磨混合，使各组分均匀，烘干将含水量控制在8％以下，压块于(840-870℃)/1～5h合成。再利用搅拌球磨2-4小时，使粉料中位粒径在0.5μm左右。再将粉料烘干，加入粘结剂(PVA)造粒，先进行干压成型，再进行冷等静压成型，压力在1000～5000kg/cm2。
采用氧化铝坩埚密封烧结工艺，将坯体放入专用的磨口带盖Al2O3坩埚，用具有相同组成的压电陶瓷粉料将坯体覆盖，防止坯体组分挥发。盖上磨口盖子，以保证坩埚气密性。烧结时根据坯体的大小，升温速度控制在1-4℃/min，在1280℃—1320℃氧气气氛下烧结2～4小时。
本发明具有如下优点：
1.温度稳定性好，200℃压电性能变化在5％以内。
2.致密度高，密度7.8g/cm3，达到理论密度的98％。
3.晶粒细小，平均粒径<4μm。
4.材料介电损耗低≤0.3％。
5.具有较高的机械强度和良好的可加工性，可以满足油井里高温高压的要求。
具体实施方式
实施例1
一种高稳定低损耗发射压电陶瓷材料，它包括以下成分：
0.42PbTiO3+0.53PbZrO3+0.02BaTiO3+0.03SrTiO3+0.15wt.％Cr2O3+0.1wt.％NiO
(1)将化学纯的Pb3O4，BaCO3，SrCO3，CaCO3，ZrO2，TiO2，NiO，Cr2O3，Fe2O3，Bi2O3按配方组成计算各组成物质量，加入等量的去离子水，球磨混合6小时，使各组分混合均匀，烘干使含水量控制在8％左右，压块于870℃/2h合成。
(2)用搅拌磨球磨5小时，使粉料中值粒径在0.5μm左右。再将粉料烘干，加入0.5wt.％ PVA粘结剂造粒，先进行干压预压成型，再进行冷等静压成型，成型压力在2000kg/cm2左右，将成型坯体在700℃/2h排塑。
(3)将坯体放入专用的磨口带盖96％Al2O3坩埚，用具有相同组成的压电陶瓷粉料将坯体覆盖，防止坯体组分挥发。盖上磨口盖子，以保证坩埚气密性。烧结时根据坯体的大小，升温速度控制在1-4℃/min，坯体尺寸较大时，升温速度适当慢些。最后在1300℃氧气气氛下烧结2小时。
(4)将烧结好的样品切割加工，上银电极，在130℃的硅油中，加上4000V/mm的电压20分钟极化，放置24小时测试性能。
实施例2：一种高稳定低损耗发射压电陶瓷材料，它包括以下成分：0.38PbTiO3+0.53PbZrO3+O.03BaTiO3+0.06SrTiO3+0.01CaFeO5/2+0.4wt.％Bi2O3
(1)将化学纯的Pb3O4，BaCO3，SrCO3，CaCO3，ZrO2，TiO2，NiO，Cr2O3，Fe2O3，Bi2O3按配方组成计算各组成物质量，加入等量的去离子水，球磨混合6小时，使各组分混合均匀，烘干使含水量控制在8％左右，压块于860℃/2h合成。
(2)用搅拌磨球磨5小时，使粉料中值粒径在0.5μm左右。再将粉料烘干，加入0.5wt.％PVA粘结剂造粒，先进行干压预压成型，再进行冷等静压成型，成型压力在2000kg/cm2左右，将成型坯体在700℃/2h排塑。
(3)将坯体放入专用的磨口带盖96％Al2O3坩埚，用具有相同组成的压电陶瓷粉料将坯体覆盖，防止坯体组分挥发。盖上磨口盖子，以保证坩埚气密性。烧结时根据坯体的大小，升温速度控制在1-4℃/min，坯体尺寸较大时，升温速度适当慢些。最后在1310℃氧气气氛下烧结2小时。
(4)将烧结好的样品切割加工，上银电极，在130℃的硅油中，加上4000V/mm的电压20分钟极化，放置24小时测试性能。
实施例1、2材料的主要性能如下表：
Figure A200810205229D00051

Claims (5)

1、高稳定低损耗发射压电陶瓷材料，其特征在于，基本化学组成为：
xPbTiO3+yPbZrO3+zBaTiO3+wSrTiO3+uCaFeO5/2
复合有fwt％的Cr2O3和gwt.％的NiO或Bi2O3
0.30≤x≤0.50；0.40≤y≤0.70；0.01≤z≤0.10；0.01≤w≤0.10；0.0≤u≤0.10；
0.01≤f≤0.30；0.01≤f≤0.50。
2、按权利要求1所述的高稳定低损耗发射压电陶瓷材料的制备方法，包括下述步骤：
(1)将Pb3O4，BaCO3，SrCO3，CaCO3，ZrO2，TiO2，NiO，Cr2O3，Fe2O3，Bi2O3按组成式计算各组成物质量，加入等质量的去离子水，球磨混合，使各组分均匀，烘干将含水量控制在8％以下，压块成型后预烧；
(2)采用氧化铝坩埚密封烧结工艺，控制升温速度在1-4℃/min，在1280℃—1320℃氧气气氛下烧结2～4小时。
3、按权利要求2所述的高稳定低损耗发射压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，预烧的条件为840-870℃/1～5h。
4、按权利要求2或3所述的高稳定低损耗发射压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，压块成型压力在1000～5000kg/cm2。
5、按权利要求1所述的高稳定低损耗发射压电陶瓷材料用于石油声波测井领域。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103408303A (zh) * 2013-08-13 2013-11-27 江苏大学 一种高稳定高压电性能压电陶瓷材料
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CN103641474A (zh) * 2013-12-06 2014-03-19 西安科技大学 一种温度稳定型焦绿石复相介电陶瓷及其制备方法

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