CN101475375A

CN101475375A - Sb2O3掺杂的ZnOw/PZT双相压电复合陶瓷及其制备方法

Info

Publication number: CN101475375A
Application number: CNA2009100772241A
Authority: CN
Inventors: 曹茂盛; 王大伟; 袁杰
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2009-07-08

Abstract

本发明为一种Sb₂O₃掺杂的ZnO_w/PZT双相压电复合陶瓷及其制备方法，属于无机非金属材料科学领域。本发明的原料为Sb₂O₃粉体、纳米ZnO晶须和锆钛酸铅(PZT)陶瓷粉体。其制备方法为：先将ZnO晶须、PZT粉体、Sb₂O₃粉体混合均匀，在体系中添加聚乙烯醇溶液再进行球磨搅拌，通过干燥粉碎、细磨过筛、干压成型后，经过排胶、烧结制备出复合陶瓷，再进行切割加工、极化老化。本发明与现有ZnO_w/PZT压电陶瓷相比，大幅度提高了原有的压电性能，增强了陶瓷的力学性能，是一种具有广泛应用前景的新型双相压电复合陶瓷；且其制备操作工艺简单、成本较低，能够满足工业化推广和应用的要求。

Description

Sb2O3掺杂的ZnOw/PZT双相压电复合陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及Sb₂O₃掺杂的ZnO_w/PZT双相压电复合陶瓷及其制备技术，属于先进精细功能陶瓷制备领域。

背景技术

锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷材料体系，由于具有优良的介电、压电和铁电等性能，广泛应用在航空、航天、兵器、舰船以及民用高技术等各个领域。传统的锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷的本征脆性大、寿命短、成本高及环境污染等问题，使得PZT陶瓷正面临着十分严峻的挑战。尽管近年来压电材料技术已取得一些进展，但从整体技术上看还没有本质进步。例如，金属掺杂PZT性能提高有限；压电纤维复合材料的纤维基体介电常数相差大、基体容易破坏；陶瓷聚合物压电材料的压电常数和机电耦合系数小，工作温度范围窄；无铅压电材料压电性能低、工艺复杂、成本高。这些材料还不能满足实际应用的多种需求，特别是军事上高性能、高可靠性、长寿命、低成本的标准，成为制约武器装备高性能压电材料与器件发展的技术瓶颈。因此，探索新概念、高性能、长寿命、低成本的压电材料一直是军用材料科学技术领域中的热点问题，新压电材料创新性研究已经成为本技术领域焦点。

近年来，我们的研究表明，利用具有三维四角结构的纳米氧化锌压电晶须(ZnO_w)来增强增韧传统PZT陶瓷的新型压电复合陶瓷材料，具有优良的电学性能，大幅度提高的力学性能，应用前景广阔。虽然ZnO_w具有压电性，但ZnO_w的加入降低了PZT陶瓷的电学性能，因此提高ZnO_w/PZT双相压电复合陶瓷的综合力电性能成为这种新材料研究和应用的关键问题。

发明内容

本发明的发明目的是为了提供一种Sb₂O₃掺杂的ZnO_w/PZT双相压电复合陶瓷及其制备技术，以解决传统压电陶瓷的本征脆性大、寿命短等问题。

本发明的一种Sb₂O₃掺杂的ZnO_w/PZT双相压电复合陶瓷，其组分质量百分比如下：

ZnO_w/PZT：97％～99.5％，Sb₂O₃粉体：0.5％～3％，其中ZnO_w与PZT粉体组分比为1％～30％：70％～99％。

本发明是一种Sb₂O₃掺杂的ZnO_w/PZT双相压电复合陶瓷的制备方法，其具体制备步骤如下：

1)在室温下，按ZnO_w/PZT：97％～99.5％、Sb₂O₃粉体：0.5％～3％的比例，与酒精在球磨机内混合，球磨3～10小时，其中ZnO_w与PZT粉体组分比为1％～30％：70％～99％；酒精占总质量的5～20％；将浓度3～5wt％聚乙烯醇(PVA)溶液加入到粉体混合，添加量为粉体质量的3～10％，再球磨5～24小时，将得到的混合液在100～200℃下边干燥边搅拌5～10小时成固体，再进行研磨过60目筛成粉；

2)将粉料在不锈钢磨具中压制成生坯，将生坯以1～8℃/min的升温速度从室温升至500～600℃，恒温2小时进行排胶；再以2～10℃/min升温至900～1200℃，恒温1～5小时后，随炉冷却至室温，将得到的陶瓷进行切割加工，极化后，得到Sb₂O₃掺杂的ZnO_w/PZT双相压电复合陶瓷。

本发明所述的PZT为含0～5wt％金属等掺杂的PZT预烧陶瓷粉体。

本发明涉及的工艺原理是，Sb₂O₃中的Sb³⁺作为一种“软性”添加物，可以替代PZT中的部分Pb²⁺，导致Pb²⁺缺位，这使得电畴运动变得容易进行，因此沿电场方向取向的电畴数目增加，从而增加了剩余极化强度，使得电学性能大幅度增强。另外，适量Sb₂O₃的掺杂，使得陶瓷晶粒直径变小，ZnO晶须和PZT的相互嵌套作用更加显著，从而减少了晶粒间隙，明显提高双相压电复合陶瓷的致密度，进一步提高其力学性能。因此Sb₂O₃的掺杂将显著改善ZnO_w/PZT的综合力电性能。

本发明的有益效果是：本发明明显降低了现有技术中陶瓷的烧结温度，为900～1200℃，提高了ZnO_w/PZT的压电性能，约提高15～60％，如表1和2；改善了陶瓷的本征脆性，提高了陶瓷的力学性能，相对密度为95～99％，力学性能提高约5～30％，如图1和2所示。同时其制备操作工艺简单、成本较低，能够满足工业化推广和应用的要求，可以广泛应用于航空、航天、兵器、舰船、海洋、电子、信息等高技术领域。

表1 1150℃下烧结的PZT/ZnO_w双相压电复合陶瓷的电学性能

表2 1150℃下烧结的Sb₂O₃掺杂的PZT/ZnO_w双相压电复合陶瓷的电学性能

附图说明

图1为不同ZnO_w含量下PZT/ZnO_w和1wt％Sb₂O₃掺杂的PZT/ZnO_w的压缩强度曲线，其中a-PZT/ZnO_w；b-1wt％Sb₂O₃掺杂的PZT/ZnO_w；

图2为不同ZnO_w含量下PZT/ZnO_w和1wt％Sb₂O₃掺杂的PZT/ZnO_w的弯曲强度曲线，其中a-PZT/ZnO_w；b-1wt％Sb₂O₃掺杂的PZT/ZnO_w。

具体实施方式

实施例1.

以制备含0.5％ Sb₂O₃粉体、1％ ZnO晶须的双相压电复合陶瓷为例，所用原料为Sb₂O₃粉0.5克，ZnO晶须1克，PZT粉98.5克，聚乙烯醇溶液浓度为5wt％，6克。具体操作如下：

1)在室温下，将ZnO纳米晶须、PZT粉体、Sb₂O₃粉和酒精在球磨机内混合，球磨3小时；将聚乙烯醇溶液加入到粉体混合，球磨24小时；将得到的混合液在100℃鼓风干燥箱中边干燥边搅拌10小时成固体，再进行研磨过60目筛成粉；

2)将粉料在不锈钢磨具中压制(1t/cm²)成生坯，利用不同磨具可以压制成所需的不同尺寸样式的生坯，如圆片、长条，生坯置于箱式马弗炉中以6℃/min的升温速度升温至600℃，恒温2小时进行排胶；再以10℃/min升温至1200℃，恒温4小时后，随炉冷却，将得到的陶瓷进行切割加工，两面均涂上银浆，上电极，极化老化后，得到Sb₂O₃掺杂的ZnO_w/PZT双相压电复合陶瓷。

实施例2.

以制备含1％ Sb₂O₃粉、2％ ZnO晶须的双相压电复合陶瓷为例，所用原料为Sb₂O₃粉1克，ZnO晶须1克，PZT粉98克，聚乙烯醇溶液浓度为5wt％，8克。具体操作如下：

1)在室温下，将ZnO纳米晶须、PZT粉体、Sb₂O₃粉和酒精在球磨机内混合，球磨5小时；将聚乙烯醇溶液加入到粉体混合，球磨12小时；将得到的混合液在150℃鼓风干燥箱中边干燥边搅拌5小时成固体，再进行研磨过60目筛成粉；

2)将粉料在不锈钢磨具中压制(1t/cm²)成生坯，利用不同磨具可以压制成所需的不同尺寸样式的生坯，如圆片、长条，生坯置于箱式马弗炉中以6℃/min的升温速度升温至600℃，恒温2小时进行排胶；再以8℃/min升温至1150℃，恒温2小时后，随炉冷却，将得到的陶瓷进行切割加工，两面均涂上银浆，上电极，极化老化后，得到Sb₂O₃掺杂的ZnO_w/PZT双相压电复合陶瓷。

实施例3.

以制备含2％ Sb₂O₃粉、5％ ZnO晶须的双相压电复合陶瓷为例，所用原料为Sb₂O₃粉2克，ZnO晶须1克，PZT粉97克，聚乙烯醇溶液浓度为4wt％，8克。具体操作如下：

1)在室温下，将ZnO纳米晶须、PZT粉体、Sb₂O₃粉和酒精在球磨机内混合，球磨8小时；将聚乙烯醇溶液加入到粉体混合，球磨18小时；将得到的混合液在110℃鼓风干燥箱中边干燥边搅拌6小时成固体，再进行研磨过60目筛成粉；

2)将粉料在不锈钢磨具中压制(1t/cm²)成生坯，利用不同磨具可以压制成所需的不同尺寸样式的生坯，如圆片、长条，生坯置于箱式马弗炉中以6℃/min的升温速度升温至600℃，恒温2小时进行排胶；再以7℃/min升温至1100℃，恒温2小时后，随炉冷却，将得到的陶瓷进行切割加工，两面均涂上银浆，上电极，极化老化后，得到Sb₂O₃掺杂的ZnO_w/PZT双相压电复合陶瓷。

实施例4.

以制备含3％ Sb₂O₃粉、8％ ZnO晶须的双相压电复合陶瓷为例，所用原料为Sb₂O₃粉3克，ZnO晶须1克，PZT粉96克，聚乙烯醇溶液浓度为3wt％，10克。排胶阶段以5℃/min的升温速度升温至550℃，恒温3小时；再以6℃/min升温至1050℃，恒温3小时。其余同例1。

实施例5.

以制备含1％ Sb₂O₃粉、10％ ZnO晶须的双相压电复合陶瓷为例，所用原料为Sb₂O₃粉1克，ZnO晶须5克，PZT粉94克，聚乙烯醇溶液浓度为3wt％，10克。排胶阶段以5℃/min的升温速度升温至550℃，恒温3小时；再以6℃/min升温至1000℃，恒温4小时后。其余同例1。

实施例6.

以制备含1％ Sb₂O₃粉、20％ ZnO晶须，掺杂镧(La³⁺)PZT的压电复合陶瓷为例，所用原料为Sb₂O₃粉1克，ZnO晶须20克，铅与镧的摩尔比为97：3，含镧PZT粉79克，聚乙烯醇(PVA)溶液浓度为4wt％，10克。排胶阶段以4℃/min的升温速度升温至600℃，恒温4小时；再以5℃/min升温至950℃，恒温4小时。其余同例1。

Claims

1、一种Sb₂O₃掺杂的ZnO_w/PZT双相压电复合陶瓷，其特征在于其组分质量百分比如下：

ZnO_w/PZT：97％～99.5％，Sb₂O₃粉体：0.5％～3％，其中ZnO_w与PZT粉体组分比为1％～30％：70％～99％，全部粉体均过60目筛。

2、一种Sb₂O₃掺杂的ZnO_w/PZT双相压电复合陶瓷的制备方法方法，其特征在于具体制备步骤如下：

(1)在室温下，按ZnO_w/PZT：97％～99.5％、Sb₂O₃粉体：0.5％～3％的比例，与酒精在球磨机内混合，球磨3～10小时，其中ZnO_w与PZT粉体组分比为1％～30％：70％～99％；酒精占总质量的5～20％；将浓度3～5wt％聚乙烯醇溶液加入到粉体混合，添加量为粉体质量的3～10％，再球磨5～24小时，将得到的混合液在100～200℃下边干燥边搅拌5～10小时成固体，再进行研磨过60目筛成粉；

(2)将粉料在不锈钢磨具中压制成生坯，将生坯以1～8℃/min的升温速度从室温升至500～600℃，恒温2小时进行排胶；再以2～10℃/min升温至900～1200℃，恒温1～5小时后，随炉冷却至室温，将得到的陶瓷进行切割加工，极化后，得到Sb₂O₃掺杂的ZnO_w/PZT双相压电复合陶瓷。

3、如权利要求1、2所述的PZT为含0～5wt％金属等掺杂的PZT预烧陶瓷粉体。