CN101870583A

CN101870583A - 外加氧化锑的锆钛酸铅压电陶瓷

Info

Publication number: CN101870583A
Application number: CN 201010194558
Authority: CN
Inventors: 孙清池; 王晓娜; 马卫兵; 孙秋香
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2010-10-27

Abstract

本发明公开了一种外加氧化锑的锆钛酸铅压电陶瓷，其原料组分及其摩尔百分比含量为Pb(Zr_xTi_y)O₃+zwt％Sb₂O₃，式中0.50≤x≤0.53，y＝1-x，0.9≤z≤2.1，z表示外加的Sb₂O₃占原料总量的摩尔百分比。本发明采用传统制备方法，提供了一种居里温度高、综合性能良好的大应变压电陶瓷，其成分简单、工艺步骤简单、易于操作、重复性好、成品率高。本发明主要应用于压电陶瓷驱动器、压电变压器、炮弹引信、换能器，汽车内置的振动传感器、控制器壳体、高温流量计、蜂鸣器、高温传感器等器件。

Description

外加氧化锑的锆钛酸铅压电陶瓷

技术领域

本发明是关于以成分为特征的陶瓷组合物，尤其涉及外加氧化锑Sb₂O₃的锆钛酸铅压电陶瓷。

背景技术

压电材料是一种将机械能与电能相互转化的功能陶瓷材料。它是一种具有压电性能的材料。压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应，压电陶瓷除具有压电性外，还具有介电性、弹性等，已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。它可以因机械形变产生电场，也可以因电场作用产生机械形变，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到广泛应用，而且新一代的压电材料还具有条件反射和指令分析能力。压电材料的这些独特功能使其在智能材料中具有更广泛的应用前景。

近年来，压电材料在汽车技术领域的应用也越来越多，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。其中压电陶瓷具有响应快、制造简单、能量密度高、易于控制等特点，是制备驱动器的理想材料。其主要用于电动后视镜、电动门窗、电动座椅、制动片的驱动等。当采用压电驱动器或压电电机驱动时，可大大减少电机的体积，且具有控制精度高、不受电磁干扰、无噪声等优点；特别是，压电驱动器或压电电机可直接直线驱动控制，无需将旋转运动转换成直线运动的转换机构。各种压电驱动器已经在智能材料结构、减震降噪系统、MEMS系统中得到了广泛地应用，尤其在智能材料结构中，其作用不可替代，常被用来实现机构的机械动作，从而改变整个智能机构的形状、刚度、固有频率、阻尼等特性。因此，驱动器研究的深入，将大大促进其相关领域的进展。

随着现代电子信息技术的飞速发展，对于性能优异的压电陶瓷材料的开发和探索已成为各国研究的热点问题。目前，在性能改进方面主要采用2种方法：一种是掺杂改性，即掺杂某种改性离子；另一种是改进制备工艺。

目前，研究工作主要集中在三元系、四元系和五元系的压电陶瓷材料上，如PMS-PZT、PMN-PZT、PZN-PMS-PZT、PNW-PMN-PZT等。但研究三元系并同时获得高d33、高Kp、高居里温度的体系尚不多见。Pb(Zr_xTi_y)O₃+zwt％Sb₂O₃，研究一种具有良好综合性能的压电陶瓷。通过深入探讨Zr/Ti比、烧结温度、Sb₂O₃含量变化对PZT-Sb体系陶瓷性能的影响，从而寻找一个最佳组分和制备工艺，以制备同时具有高d₃₃、高Kp、高居里温度的压电陶瓷材料。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种居里温度高、综合性能良好的大应变压电陶瓷。

本发明通过以下技术方案予以实现：

外加氧化锑的锆钛酸铅压电陶瓷，其原料组分及其摩尔百分比含量为Pb(Zr_xTi_y)O₃+zwt％Sb₂O₃，式中0.50≤x≤0.53，y＝1-x，0.9≤z≤2.1，z表示外加的Sb₂O₃占原料总量的摩尔百分比。

其优选的原料组分及其摩尔百分比含量为Pb(Zr_xTi_y)O₃+zwt％Sb₂O₃，式中0.51≤x≤0.52，y＝1-x，1.0≤z≤1.3，z表示外加的Sb₂O₃占原料总量的摩尔百分比。

其最佳的原料组分及其摩尔百分比含量为Pb(Zr_xTi_y)O₃+zwt％Sb₂O₃，式中x为0.52，y为0.48，z为1.2，z表示外加的Sb₂O₃占原料总量的摩尔百分比。

所述压电陶瓷是单一钙钛矿结构。

所述原料为Pb₃O₄，ZrO₂，TiO₂和Sb₂O₃。

所述压电陶瓷于1150～1260℃烧结。

本发明的有益效果是提供了一种居里温度高、综合性能良好的大应变压电陶瓷，其成分简单、工艺步骤简单、易于操作、重复性好、成品率高。

附图说明

图1：是本发明在1200℃烧结保温2h，z＝1.2，不同配方Zr/Ti比的样品的X射线图谱。

具体实施方式

本发明采用市售的化学纯原料(纯度≥99％)，为Pb₃O₄，ZrO₂，TiO₂和Sb₂O₃。

具体制备方法为：

(1)配料合成

按Pb(Zr_xTi_y)O₃+zwt％Sb₂O₃的化学计量比(式中0.50≤x≤0.53，y＝1-x，0.9≤z≤2.1，z表示外加的Sb₂O₃占原料总量的摩尔百分比)称取原料Pb₃O₄、ZrO₂、TiO₂和Sb₂O₃，进行混合，装入尼龙罐中，球磨介质为水和玛瑙球，球∶料∶水的重量比为2∶1∶0.6，球磨4h，转速为750转/分，将混合料放入烘箱内80℃烘干，再放入研钵内研磨，过80目筛。

(2)预烧

将研磨过筛后的粉料放入坩埚内，用玛瑙棒压实，加盖，密封，在马弗炉中900℃保温2h，自然冷却到室温，出炉。

(3)二次球磨

将烘干的粉料在研钵中研磨，过80目筛，装入球磨罐，加入适量的水，球磨4h转速为750转/分，将粉料放入烘箱80℃烘干。

(4)造粒

将上述烘干的粉料在研钵中研细，过筛，加入重量浓度为5％～10％的PVA，充分搅拌，过筛，将粉料放入直径为35mm的不锈钢模具内，在100～120Mpa压力下压成圆柱状坯件。

(5)压片

将造粒后的粉料静置24h，再将粉料放入直径为12mm的不锈钢模具中，在200～250Mpa压力下压成圆柱状坯件。

(6)排胶

将坯件放入马弗炉中，200℃和350℃各保温0.5h，升温至650℃进行有机物排除。

(7)烧结

将排胶坯件放入坩埚中，密封，用同类粉料做埋料埋烧，升温速度为6℃/分钟，在1180～1260℃保温2h，随炉自然冷却至室温。

(8)烧银

将烧结好的陶瓷片打磨至0.9～1.1mm厚，自然晾干，在其上下表面涂覆厚度为的银浆，置于炉中735℃保温10min，自然冷却至室温。

(9)极化

将烧好银的试样置于硅油中加热到110～180℃，施加3kv/mm的直流电压，持续15～30min，制备成压电陶瓷。

(10)测试压电性能

极化完测试片，室温下静置24h后测试压电性能。

具体实施例如下：

按照传统制备方法，将Pb₃O₄，ZrO₂，TiO₂和Sb₂O₃氧化物粉末按化学配比称量，在研钵中研细，过筛，放入球磨罐内球磨4h，烘干；将烘干的粉料在研钵中研细，过筛，造粒；单轴应力成型，成型压力200～250Mpa；生坯片生坯直径12mm；生坯片在1180～1260℃保温2h烧结。从图1可看出Zr/Ti＝52∶48时，性能最好，所以Zr/Ti比固定在52∶48即Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃+zwt％Sb₂O₃，z分别取0.9，1.2，1.5，1.8，2.1，烧结温度取1180℃，1200℃，1220℃，1240℃，1260℃，做正交试验。

z＝0.9，烧结温度为1180℃，1200℃，1220℃，1240℃，1260℃，分别记为1-1、1-2、1-3、1-4、1-5；z＝1.2，烧结温度为1180℃，1200℃，1220℃，1240℃，1260℃，分别记为2-1、2-2、2-3、2-4、2-5；z＝1.5，烧结温度为1180℃，1200℃，1220℃，1240℃，1260℃，分别记为3-1、3-2、3-3、3-4、3-5；z＝1.8，烧结温度为1180℃，1200℃，1220℃，1240℃，1260℃，分别记为4-1、4-2、4-3、4-4、4-5；z＝2.1，烧结温度为1180℃，1200℃，1220℃，1240℃，1260℃，分别记为5-1、5-2、5-3、5-4、5-5；

上述实施例介电性能测试结果列于表1。

表1

从图1可以看出Zr/Ti比为52∶48时性能最佳。

当z＝1.2，Zr/Ti＝52∶48，烧结温度为1200℃时，ρ＝7.79g/cm³，Tc＝385℃，

(准静态方法，Model/ZJ-3A，China)，tanδ＝1.78％(Automatic LCRMeter4225)，K_p＝0.674(目前外加氧化锑的锆钛酸铅压电陶瓷研究水平在

为1925，tanδ＝2.35×10^-2，d₃₃为440PC/N，k_p为64％，Tc为300℃)。

本发明压电陶瓷材料可用于制备主要应用于压电陶瓷驱动器、压电变压器、炮弹引信、换能器，汽车内置的振动传感器、控制器壳体、高温流量计、蜂鸣器、高温传感器等器件。

上述对实施例的描述是便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种外加氧化锑的锆钛酸铅压电陶瓷，其原料组分及其摩尔百分比含量为Pb(Zr_xTi_y)O₃+zwt％Sb₂O₃，式中0.50≤x≤0.53，y＝1-x，0.9≤z≤2.1，z表示外加的Sb₂O₃占原料总量的摩尔百分比。

2.根据权利要求1的外加氧化锑的锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于，其优选的原料组分及其摩尔百分比含量为Pb(Zr_xTi_y)O₃+zwt％Sb₂O₃，式中0.51≤x≤0.52，y＝1-x，1.0≤z≤1.3，z表示外加的Sb₂O₃占原料总量的摩尔百分比。

3.根据权利要求1的外加氧化锑的锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于，其最佳的原料组分及其摩尔百分比含量为Pb(Zr_xTi_y)O₃+zwt％Sb₂O₃，式中x为0.52，y为0.48，z为1.2，z表示外加的Sb₂O₃占原料总量的摩尔百分比。

4.根据权利要求1或2或3的外加氧化锑的锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于，所述压电陶瓷是单一钙钛矿结构。

5.根据权利要求1或2或3的外加氧化锑的锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于，所述原料为Pb₃O₄，ZrO₂，TiO₂和Sb₂O₃。

6.根据权利要求1或2或3的外加氧化锑的锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于，所述压电陶瓷于1150～1260℃烧结。