CN101798219A - 用于水声换能器的压电陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有良好的综合机电性能压电陶瓷及其制备方法。用于水声换能器的压电陶瓷，由钪铌—锰铌—锆酸铅—钛酸铅(PSN-PMN-PZ-PT)四元系压电陶瓷组成，所述的四元系摩尔百分比为：3～18％Pb(Sc1/2Nb1/2)，3～8％Pb(Mn1/3Nb2/3)，40～49％PbZrO3，40～49％PbTiO3，其中，Pb位被1～5mol％Sr2+取代。钪铌—锰铌—锆酸铅—钛酸铅四元系压电陶瓷为一种新的压电陶瓷体系，可在较宽的范围内调整其性能。所提供的优化配方具有较好的综合机电性能，适用于水声换能器，具有良好的商业价值。
Description
技术领域
本发明涉及电子材料及元器件领域，特别涉及一种用于水声换能器的压电陶瓷及其制备方法。
背景技术
水声换能器在军事上和民用上具有不容忽视的作用。在军事上，搜索和跟踪水下潜艇、水雷等目标；在民用上，海底资源的探索，如水文测量、海底地质地貌勘测、鱼群探测，尤其是海洋石油勘探。
在水声换能器中压电水声换能器是目前应用最广泛的一种，水声换能器的性能很大程度上取决于完成水声信号接收与发射的压电陶瓷的性能。根据工作状态不同水声换能器可分为发射型换能器和接收型换能器。实际应用中的水声换能器经常兼有发射和接收两种功能。因此，开发一系列高性能的收发兼用的压电陶瓷振子，不但可满足不同水声换能器系统技术和海军舰艇装备进度的要求，还可以提高舰艇测量精度和定位精度，对加强我国海军的作战装备能力具有现实意义；从民用角度来说，提高海洋探测能力，对开发海洋资源具有积极的意义。
对于接收型换能器，要求大的机电耦合系数(Kp)和压电常数(d33)；对于发射型换能器，则要求强电场下的高的机械品质因子(Qm)和较小的介质损耗(tanδ)，尤其是对于大功率发射型换能器或大振幅超声换能器。而作为近海使用的收发兼用水声换能器则需要压电材料兼顾两者的特点，即要求保证高的机电耦合系数和压电常数的同时，尽可能提高机械品质因子和降低介质损耗。同时满足上述要求是相当困难的，因为这些性能参数是相互制约的。
经对现有技术的文献检索发现，公开号为CN1349954的中国专利公开了用于超声马达的锑铌—锰铌—锆—钛酸铅四元系压电陶瓷，该陶瓷体系结合锑铌锆钛酸铅系和锰铌锆钛酸铅系的特点，制备了综合机电性能较好的压电陶瓷。但该体系的不足之处是：机电耦合系数Kp较低，优化的配方Kp仅有0.49；压电常数d33为312pC/N，也较低。超声马达的工作特性要求首先保证高的机械品质因子，而收发兼用的水声换能器则首先保证高的机电耦合系数和压电常数，该体系难以在收发兼用的水声换能器上应用。检索中还发现，公开号为CN1061111的中国专利公开了用于压电变压器的铌镁酸铅—铌锰酸铅—锆酸铅—钛酸铅(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3)四元系压电陶瓷，对铌镁锆钛酸铅和铌锰锆钛酸铅进行了最佳组合和改性，从而获得在大功率使用下性能优异的四元系压电陶瓷材料，该四元系尽管机电耦合系数Kp达到0.64，但压电常数d33仅为311pC/N，较低。压电变压器的工作状况与超声马达相近，也是要求首先保证高的机械品质因子，其次才是保证压电性能，该体系仍然不适合在收发兼用的水声换能器上应用。
发明内容
本发明为了解决上述的技术问题，提供一种具有良好的综合机电性能压电陶瓷。
本发明又一解决的技术问题，提供上述的具有良好的综合机电性能压电陶瓷的制备方法。
用于水声换能器的压电陶瓷，其特征在于，所述的压电陶瓷由钪铌—锰铌—锆酸铅—钛酸铅(PSN-PMN-PZ-PT)四元系压电陶瓷组成，所述的四元系摩尔百分比为：3～18％Pb(Sc1/2Nb1/2)，3～8％Pb(Mn1/3Nb2/3)，40～49％PbZrO3，40～49％PbTiO3。
其中，Pb位被1～5mol％Sr2+取代。
钪铌酸铅(Pb(SC1/2Nb1/2)O3)是一种典型的驰豫铁电材料，在驰豫铁电体—钛酸铅(PbTiO3)系统中，Pb(SC1/2Nb1/2)O3-PbTiO3(PSN-PT)在准同型相界的组成拥有最高的机电耦合系数(Kp＝0.72)，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3在准同型相界的组成Kp＝0.65。钪铌锆钛酸铅系(主成分为xPb(SC1/2Nb1/2)O3-yPbZrO3-zPbTiO3)的特点是Kp值较高，烧结性好，例如：x＝0.30，y＝0.26，z＝0.44的配方，Kp值高达0.67。钪(Sc)的原子序数为21，位于元素周期表的第4周期IIIA族，与3d型过渡族元素(Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni)同周期，与La系稀土金属(RE)同族，它既是稀土金属，又是过渡金属(TE)，为此，钪显示了以上突出的性能。而锰铌锆钛酸铅系(主成分为xPb(Mn1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3)的特点是高Qm值。例如：x＝0.10，y＝0.80，z＝0.10的配方，Qm值可高达6300。结合两者的特点，组成钪铌—锰铌—锆酸铅—钛酸铅(PSN-PMN-PZ-PT)四元系压电陶瓷，在很大的范围内可以调整其机电性能，以获得综合机电性能较好的压电陶瓷材料。通过检索现有专利和文献，未发现钪铌—锰铌—锆酸铅—钛酸铅四元系压电陶瓷配方的报导。
上述的钪铌—锰铌—锆酸铅—钛酸铅(PSN-PMN-PZ-PT)四元系压电陶瓷的制备方法为：
(1)将Sc2O3和Nb2O5按摩尔比1∶1，MnCO3和Nb2O5按摩尔比1∶1分别混合球磨，在1120-1180℃的温度下预烧3-5h合成前驱体，Sc2O3和Nb2O5合成前驱体为Sc2Nb2O8，MnCO3和Nb2O5合成的前驱体为MnNb2O6；
(2)再将上述的前驱体和PbO，ZrO2，TiO2和SrCO3混合，摩尔百分比为1～4％Sc2Nb2O8，1～3％MnNb2O6，96～100％PbO，40～45％ZrO2，40～45％TiO2和0～4％SrCO3，在830-870℃下保温2-4h合成PSN-PMN-PZ-PT粉料，再经100-200MPa干压成型后烧成，烧成温度为1150-1250℃，保温2-4h。
所述步骤(1)中，在1150℃的温度下预烧4h合成前驱体。
所述步骤(1)中的原料采用分析纯的PbO，SrCO3，Sc2O3，MnCO3，Nb2O5，ZrO2，和化学纯的TiO2。
所述步骤(2)中，将上述的前驱体和PbO，ZrO2，TiO2和SrCO3混合，在850℃下保温3h合成PSN-PMN-PZ-PT粉料，再经150MPa干压成型后烧成，烧成温度为1180-1220℃，保温2-4h。
烧成后的样品经过打磨、抛光成直径10～11mm、厚度0.5mm的圆片，被银后在120℃的硅油中加电压3～4KV/mm极化30min。放置24h后测其性能。用谐振—反谐振法测量样品的谐振频率和反谐振频率及相应的阻抗|Z|，计算机电耦合系数Kp和机械品质因子Qm，压电常数d33由准静态法测量。
钪铌—锰铌—锆酸铅—钛酸铅四元系压电陶瓷为一种新的压电陶瓷体系，可在较宽的范围内调整其性能。所提供的优化配方具有较好的综合机电性能，适用于水声换能器，具有良好的商业价值。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
将Sc2O3和Nb2O5按摩尔比1∶1，MnCO3和Nb2O5按摩尔比1∶1分别混合球磨，在1150℃的温度下预烧4h合成前驱体，Sc2O3和Nb2O5合成前驱体为Sc2Nb2O8，MnCO3和Nb2O5合成的前驱体为MnNb2O6。再将这些前驱体和PbO，ZrO2，TiO2和SrCO3混合，摩尔百分比为：3％Sc2Nb2O8，2％MnNb2O6，98％PbO，41％ZrO2，41％TiO2，2％SrCO3，在850℃下保温3h合成PSN-PMN-PZ-PT粉料，再经150MPa干压成型后烧成，烧成制度为1200℃，保温3h。
制备得到的钪铌—锰铌—锆酸铅—钛酸铅(PSN-PMN-PZ-PT)四元系压电陶瓷组成(摩尔百分比)为：12％Pb(Sc1/2Nb1/2)，6％Pb(Mn1/3Nb2/3)，41％PbZrO3，41％PbTiO3，Pb位被2mol％Sr2+取代。
机电性能为：Kp＝0.65，Qm＝1010，d33＝462pC/N，tanδ＝0.005。该配方Kp和d33较高，Qm值高于1000，具有良好的综合机电性能，适合收发兼用的水声换能器，为优选配方。
实施例2：
将Sc2O3和Nb2O5按摩尔比1∶1，MnCO3和Nb2O5按摩尔比1∶1分别混合球磨，在1150℃的温度下预烧4h合成前驱体，Sc2O3和Nb2O5合成前驱体为Sc2Nb2O8，MnCO3和Nb2O5合成的前驱体为MnNb2O6。再将这些前驱体和PbO，ZrO2，TiO2和SrCO3混合，摩尔百分比为：1.5％Sc2Nb2O8，2％MnNb2O6，98％PbO，44％ZrO2，44％TiO2，2％SrCO3，在850℃下保温3h合成PSN-PMN-PZ-PT粉料，再经150MPa干压成型后烧成，烧成制度为1200℃，保温3h。
制备得到的钪铌—锰铌—锆酸铅—钛酸铅(PSN-PMN-PZ-PT)四元系压电陶瓷组成(摩尔百分比)为：6％Pb(Sc1/2Nb1/2)，6％Pb(Mn1/3Nb2/3)，44％PbZrO3，44％PbTiO3，Pb位被2mol％Sr2+取代。
机电性能为：Kp＝0.56，Qm＝2010，d33＝352pC/N，tanδ＝0.003。该配方Qm值较高，适合大功率发射型水声换能器。
实施例3：
将Sc2O3和Nb2O5按摩尔比1∶1，MnCO3和Nb2O5按摩尔比1∶1分别混合球磨，在1150℃的温度下预烧4h合成前驱体，Sc2O3和Nb2O5合成前驱体为Sc2Nb2O8，MnCO3和Nb2O5合成的前驱体为MnNb2O6。再将这些前驱体和PbO，ZrO2，TiO2和SrCO3混合，摩尔百分比为：1.5％Sc2Nb2O8，2％MnNb2O6，98％PbO，45％ZrO2，43％TiO2，2％SrCO3，在850℃下保温3h合成PSN-PMN-PZ-PT粉料，再经150MPa干压成型后烧成，烧成制度为1220℃，保温4h。
制备得到的钪铌—锰铌—锆酸铅—钛酸铅(PSN-PMN-PZ-PT)四元系压电陶瓷组成(摩尔百分比)为：6％Pb(Sb1/2Nb1/2)，6％Pb(Mn1/3Nb2/3)，45％PbZrO3，43％PbTiO3，Pb位被2mol％Sr2+取代。
机电性能为：Kp＝0.52，Qm＝1820，d33＝303pC/N，tanδ＝0.004。该配方调整了锆钛比，综合机电性能下降。
实施例4：
将Sc2O3和Nb2O5按摩尔比1∶1，MnCO3和Nb2O5按摩尔比1∶1分别混合球磨，在1150℃的温度下预烧4h合成前驱体，Sc2O3和Nb2O5合成前驱体为Sc2Nb2O8，MnCO3和Nb2O5合成的前驱体为MnNb2O6。再将这些前驱体和PbO，ZrO2，TiO2和SrCO3混合，摩尔百分比为：1.25％Sc2Nb2O8，1.67％MnNb2O6，100％PbO，44.5％ZrO2，45.5％TiO2，在850℃下保温3h合成PSN-PMN-PZ-PT粉料，再经150MPa干压成型后烧成，烧成制度为1180℃，保温2h。
制备得到的钪铌—锰铌—锆酸铅—钛酸铅(PSN-PMN-PZ-PT)四元系压电陶瓷组成(摩尔百分比)为：5％Pb(Sb1/2Nb1/2)，5％Pb(Mn1/3Nb2/3)，44.5％PbZrO3，45.5％PbTiO3。
机电性能为：Kp＝0.50，Qm＝1870，d33＝284pC/N，tanδ＝0.006。该配方未添加Sr2+，压电性能相对实施例1、2和3明显降低。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (6)
1.用于水声换能器的压电陶瓷，其特征在于，所述的压电陶瓷由钪铌—锰铌—锆酸铅—钛酸铅(PSN-PMN-PZ-PT)四元系压电陶瓷组成，所述的四元系摩尔百分比为：3～18％Pb(Sc1/2Nb1/2)，3～8％Pb(Mn1/3Nb2/3)，40～49％PbZrO3，40～49％PbTiO3。
2.根据权利要求1所述的用于水声换能器的压电陶瓷，其特征在于，其中，Pb位被1～5mol％Sr2+取代。
3.制备如权利要求1所述的用于水声换能器的压电陶瓷的方法，包括如下步骤：(1)将Sc2O3和Nb2O5按摩尔比1∶1，MnCO3和Nb2O5按摩尔比1∶1分别混合球磨，在1120-1180℃的温度下预烧3-5h合成前驱体，Sc2O3和Nb2O5合成前驱体为Sc2Nb2O8，MnCO3和Nb2O5合成的前驱体为MnNb2O6；
(2)再将上述的前驱体和PbO，ZrO2，TiO2和SrCO3混合，摩尔百分比为1～4％Sc2Nb2O8，1～3％MnNb2O6，96～100％PbO，40～45％ZrO2，40～45％TiO2和0～4％SrCO3，在830-870℃下保温2-4h合成PSN-PMN-PZ-PT粉料，再经100-200MPa干压成型后烧成，烧成温度为1150-1250℃，保温2-4h。
4.根据权利要求3所述的用于水声换能器的压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的原料采用分析纯的PbO，SrCO3，Sc2O3，MnCO3，Nb2O5，ZrO2，和化学纯的TiO2。
5.根据权利要求3所述的用于水声换能器的压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在1150℃的温度下预烧4h合成前驱体。
6.根据权利要求3所述的用于水声换能器的压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将上述的前驱体和PbO，ZrO2，TiO2和SrCO3混合，在850℃下保温3h合成PSN-PMN-PZ-PT粉料，再经150MPa干压成型后烧成，烧成温度为1180-1220℃。
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