CN101475373B

CN101475373B - 高压电应变常数d31、低压电电压常数g31压电陶瓷材料及其制备方法

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Publication number: CN101475373B
Application number: CN2009100459098A
Authority: CN
Inventors: 李玉臣; 姚烈; 董显林; 梁瑞虹
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2029-01-22
Also published as: CN101475373A

Abstract

一种高压电应变常数d₃₁、低压电电压常数g₃₁压电陶瓷材料及其制备方法，属陶瓷组成与制备领域。该压电陶瓷材料的化学通式为：xPbZrO₃+yPbTiO₃+zPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃+mSrTiO₃+nBaTiO₃+pLaTiO₃+awt.％SiO₂+bwt.％La₂O₃+cwt.％Nb₂O₅+dwt.％Sb₂O₃。其中，x＝0.2～0.5；y＝0.2～0.5；z＝0.1～0.4；m＝0.0～0.10；n＝0.0～0.10；p＝0.0～0.10；a＝0～0.5；b＝0～0.5；c＝0～0.5；d＝0～0.5。本发明在传统压电陶瓷工艺基础上进行改进制备，材料标准片的主要性能为：d₃₃＝974pC/N，d₃₁＝-388pC/N，ε₃₃ ^T/ε_o＝7000，g₃₁＝-6.26，k₃₁＝0.42；本发明材料具有较高的压电应变常数d₃₁和相对低的压电电压常数g₃₁，是一种性能优良的压电陶瓷双晶片驱动型材料。用本材料制成的压电陶瓷双晶片致动元件，已提供中国盲文出版社，用于制作盲文电子显示器，双晶片端点位移量大，力度强，稳定性好，盲人手感明显，已完全取代同类进口产品。

Description

高压电应变常数d31、低压电电压常数g31压电陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高压电应变常数d₃₁、低压电电压常数g₃₁压电陶瓷材料及其制备方法，属陶瓷组成与制备领域。

背景技术

随着现代科学技术的发展，压电陶瓷的应用越来越深入，越来越广泛，压电双晶片致动元件可应用于提花选针执行器，盲文电子显示器(触摸屏)等，把两片极性相同的压电陶瓷薄片胶合在一起，电路上采用并联，如图1(a)所示，或把两片极性相反的压电陶瓷薄片胶合在一起，电路上串联，如图1(b)所示，在电场激励下，当某一时刻其中一片伸张时，另一片则收缩，使压电陶瓷片产生弯曲振动，这就是弯曲振动压电陶瓷换能器的工作原理。为改善换能器的机械性能和机电耦合，以及结构安装上的方便，常在两陶瓷片之间胶合碳纤维或金属薄片，为便于支撑和进行电路连接，金属片经常延伸到压电陶瓷片以外。

采用电路并联的方式设计压电陶瓷双晶片致动元件的结构时，端点位移X＝4d₃₁VL²/t²，端点推力F＝2Vwt/3Lg₃₁；采用电路串联的方式设计压电陶瓷双晶片致动元件的结构时，端点位移X＝2d₃₁VL²/t²，端点推力F＝4Vwt/3Lg₃₁，其中，V代表电压，L代表端点到支撑点的长度，w代表压电陶瓷双晶片致动元件的宽度，t代表压电陶瓷双晶片致动元件的厚度(包括两片陶瓷晶片和中间金属的厚度)。对同样规格的压电陶瓷双晶片，在加相同电压时，具有高压电应变常数d₃₁、低压电电压常数g₃₁压电陶瓷材料的端点位移量和产生的端点推力都比较大。而目前国内外，压电陶瓷材料的d₃₁相对比较低，而g₃₁又相对高，如表1所示，因此制约了压电陶瓷双晶片致动元件的性能。本发明材料的压电应变常数d₃₁高、压电电压常数g₃₁相对低，对同样规格的压电陶瓷双晶片，在加相同电压时，端点位移量和产生的端点推力都比较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压电应变常数d₃₁、低压电电压常数g₃₁压电陶瓷材料，采用多种钙钛矿结构化合物的固熔体结构配方：xPbZrO₃+yPbTiO₃+zPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃+mSrTiO₃+nBaTiO₃+pLaTiO₃+awt.％SiO₂+bwt.％La₂O₃+cwt.％Nb₂O₅+dwt.％Sb₂O₃，其中，x＝0.2～0.5；y＝0.2～0.5；z＝0.1～0.4；m＝0.0～0.10；n＝0.0～0.10；p＝0.0～0.10；a＝0～0.5；b＝0～0.5；c＝0～0.5；d＝0～0.5。通过传统工艺的改进，获得了一种具有特殊性能的压电陶瓷材料。

具体制备方法是：(1)配料：a、采用的配方是：xPbZrO₃+yPbTiO₃+zPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃+mSrTiO₃+nBaTiO₃+pLaTiO₃+awt.％SiO₂+bwt.％La₂O₃+cwt.％Nb₂O₅+dwt.％Sb₂O₃，其中，x＝0.2～0.5；y＝0.2～0.5；z＝0.1～0.4；m＝0.0～0.10；n＝0.0～0.10；p＝0.0～0.10；a＝0～0.5；b＝0～0.5；c＝0～0.5；d＝0～0.5。b、采用的原料是：Pb₃O₄(工业纯)、ZrO₂(工业纯)、TiO₂(工业纯)、SrCO₃(工业纯)、BaCO₃(工业纯)、MgCO₃(工业纯)或碱式MgCO₃、Nb₂O₅(工业纯)、La₂O₃(化学纯)、Sb₂O₃(工业纯)、SiO₂(化学纯)。c、称量：根据上述配方和各原料的纯度算出的各原料的质量，采用精确电子天平进行逐一称量。

(2)混料：采用去离子水和玛瑙球作为介质，按照原料∶玛瑙球∶去离子水＝1∶0.8～1.5∶0.5～1.2的比例混合，经滚桶球磨混料6～10h。

(3)压块合成：将混好的原料倒入容器放进烘箱烘干后进行压块，压块压力在40MPa-100MPa，合成分两段，第一段合成：600℃-700℃/1-4h，第二段压块合成：700℃-900℃/1-4h。

(4)粉碎细磨：将合成好的粉料粉碎后进行细磨，细磨采用去离子水和玛瑙球作为介质，按照原料∶玛瑙球∶去离子水＝1∶0.8～1.5∶0.5～1.2的比例混合，经滚桶球磨12～48h。

(5)造粒成型：经滚桶球磨12～48h、出料烘干后、加粘结剂、造粒成型(成型压力为150MPa-200MPa)。

(6)排塑：将成型好的样品放在厢式电炉进行排塑，排塑程序为800℃/1h。

(7)通氧烧结：将样品放入特制坩埚里采用通氧气烧结，烧结的制度是1260℃-1320℃/1-4h。

冷加工：将烧结好的样品根据规格要求进行机械加工。

超声清洗、上电极：将加工好的样品进行超声清洗，烘干后上银电极，放入厢式电炉烧银。

极化：将有电极的样品放在硅油里，在一定的温度下，加高压处理极化条件是60℃-100℃，3-5kv/mm，10-60min。

测试包装：将极化好的样品放置一天后进行相关性能测试，测试合格的样品进行包装处理。

本发明获得了一种具有特殊性能的压电陶瓷材料，其材料标准片的主要性能为：d₃₃＝974pC/N，d₃₁＝-388pC/N，ε₃₃ ^T/ε₀＝7000，g₃₁＝-6.26，k₃₁＝0.42；本发明材料的特点是具有较高的压电应变常数d₃₁和相对低的压电电压常数g₃₁，是一种性能优良的压电双晶片驱动型材料。

附图说明

图1是弯曲振动压电陶瓷换能器的工作原理图，图1(a)是把两片极性相同的压电陶瓷薄片胶合在一起，电路上采用并联；图1(b)是把两片极性相反的压电陶瓷薄片胶合在一起，电路上串联，图1(c)为改善换能器的机械性能和机电耦合，以及结构安装上的方便，常在两陶瓷片之间胶合碳纤维或金属薄片，为便于支撑和进行电路连接，金属片经常延伸到压电陶瓷片以外。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐明本发明的具体制备和材料的特点。

实施例1

以Pb₃O₄(工业纯)、ZrO₂(工业纯)、TiO₂(工业纯)、SrCO₃(工业纯)、BaCO₃(工业纯)、Nb₂O₅(工业纯)、La₂O₃(化学纯)、MgCO₃(工业纯)、Sb₂O₃(工业纯)、SiO₂(化学纯)为原料，按0.3715PbZrO₃+0.2885PbTiO₃+0.25Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃+0.04SrTiO₃+0.03BaTiO₃+0.02LaTiO₃+0.05wt.％SiO₂+0.02wt.％Nb₂O₅+0.04wt.％Sb₂O₃的化学计量称量，用去离子水和玛瑙球作为介质，经滚桶球磨8h，出料烘干后进行650℃/2h的第一段压块合成，再进行850℃/2h的第二段合成，经粉碎后滚桶球磨24h、出料烘干、加粘结剂、造粒成型(成型压力为150MPa)、排塑(800℃/1h)、通氧烧结(1280℃/2)、冷加工、超声清洗、上电极、极化(80℃，4kv/mm，15min)等工艺，最后进行相关性能测试。材料标准片的主要性能是：d₃₃＝926pC/N，d₃₁＝-368pC/N，ε₃₃ ^T/ε₀＝6550，g₃₁＝-6.35，k₃₁＝0.40；

实施例2

以Pb₃O₄(工业纯)、ZrO₂(工业纯)、TiO₂(工业纯)、SrCO₃(工业纯)、BaCO₃(工业纯)、MgCO₃(工业纯)、Nb₂O₅(工业纯)、La₂O₃(化学纯)、SiO₂(化学纯)为原料，制备工艺同实施例1，按照0.3715PbZrO₃+0.2685PbTiO₃+0.25Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃+0.05SrTiO₃+0.04BaTiO₃+0.02LaTiO₃+0.02wt.％SiO₂+0.04wt.％La₂O₃+0.03wt.％Nb₂O₅的化学配方进行制备。得到材料标准片的主要性能是d₃₃＝943pC/N，：d₃₁＝-377pC/N，ε₃₃ ^T/ε₀＝6720，g₃₁＝-6.33，k₃₁＝0.41；

实施例3

以Pb₃O₄(工业纯)、ZrO₂(工业纯)、TiO₂(工业纯)、SrCO₃(工业纯)、BaCO₃(工业纯)、MgCO₃(工业纯)、Nb₂O₅(工业纯)、SiO₂(化学纯)为原料，制备工艺同实施例1，按照0.372PbZrO₃+0.258PbTiO₃+0.25Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃+0.10SrTiO₃+0.02BaTiO₃+0.03wt.％SiO₂+0.04wt.％Nb₂O₅的化学配方进行制备。材料标准片的主要性能是：d₃₃＝974pC/N，d₃₁＝-388pC/N，ε₃₃ ^T/ε₀＝7000，g₃₁＝-6.26，k₃₁＝0.42；

表1本发明与现有技术比较

Claims

1.高压电应变常数d₃₁、低压电电压常数g₃₁压电陶瓷材料，其组分式为：xPbZrO₃+yPbTiO₃+zPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃+mSrTiO₃+nBaTiO₃+pLaTiO₃+awt.％SiO₂+bwt.％La₂O₃+cwt.％Nb₂O₅+dwt.％Sb₂O₃，其中，x＝0.2～0.5；y＝0.2～0.5；z＝0.1～0.4；m＝0.0～0.10；n＝0.0～0.10；p＝0.0～0.10；a＝0～0.5；b＝0～0.5；c＝0～0.5；d＝0～0.5。

2.高压电应变常数d₃₁、低压电电压常数g₃₁压电陶瓷材料的制备方法，包括配料、混料、压块合成、粉碎细磨、造粒成型、排塑、通氧烧结，其特征在于：

(1)采用的配料组分式为：

xPbZrO₃+yPbTiO₃+zPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃+mSrTiO₃+nBaTiO₃+pLaTiO₃+awt.％SiO₂+bwt.％La₂O₃+cwt.％Nb₂O₅+dwt.％Sb₂O₃，其中，x＝0.2～0.5；y＝0.2～0.5；z＝0.1～0.4；m＝0.0～0.10；n＝0.0～0.10；p＝0.0～0.10；a＝0～0.5；b＝0～0.5；c＝0～0.5；d＝0～0.5；

(2)混料采用去离子水和玛瑙球作为介质，按照原料∶玛瑙球∶去离子水＝1∶0.8～1.5∶0.5～1.2的比例混合，经滚桶球磨混料6～10h；

(3)通氧烧结烧结条件为1260℃-1320℃/1-4h。

3.按权利要求2所述的制备方法，其特征在于，采用的原料是Pb₃O₄、ZrO₂、TiO₂、SrCO₃、BaCO₃、MgCO₃或碱式MgCO₃、Nb₂O₅、La₂O₃、Sb₂O₃、SiO₂。

4.按权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，压块合成压块压力在40MPa-100MPa，合成分两段，第一段合成：600℃-700℃/1-4h，第二段压块合成：700℃-900℃/1-4h。

5.按权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，粉碎细磨采用去离子水和玛瑙球作为介质，按照原料∶玛瑙球∶去离子水＝1∶0.8～1.5∶0.5～1.2的比例混合，经滚桶球磨12～48h。

6.按权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，造粒成型压力为150MPa-200MPa。