CN102060528A - 一种高居里点低铅压电陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高居里点低铅压电陶瓷材料及其制备方法，属于功能陶瓷应用技术领域。用Bi对PZT陶瓷进行取代改性，采用模板晶粒生长法(TGG)制备出一种低铅压电陶瓷材料，并改善其居里温度。其化学式为Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-PbTiO3。可以广泛应用于航天、石化、冶金、地质勘探等众多重要科研与工业部门，例如高温加速度计、高温传感器、涡街流量计以及螺栓孔冷胀工艺中的压电装置等。本发明的效果是：在制备过程中用Bi来替代部分Pb，不仅可以有效减少陶瓷中Pb的含量，增加压电陶瓷的环境协调性，而且还增加了材料的居里温度，扩展了其使用范围。

Description

一种高居里点低铅压电陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高居里点低铅压电陶瓷材料及其制备方法，属于功能陶瓷应用技术领域。
背景技术
Pb(Zr，Ti)O3基陶瓷(PZT)属于ABO3型钙钛矿结构材料，具有优异的压电性能，其居里温度高，压电性强，稳定性好，在传感器、压电变压器、超声换能器、谐振器、引燃引爆装置、超声延迟线等领域有着广泛的应用。但是PZT陶瓷的制备需要大量的含铅氧化物，其生产过程和废弃物处理阶段均对环境带来一定的危害，而且随着科学技术的发展，PZT的居里点温度已经很难满足航空航天、石化冶金等领域的需求。特别是高温加速度计、高温传感器、涡街流量计等领域的要求。因此开发低铅的环境协调性好的高居里点压电陶瓷是一项具有重大现实意义的课题。
PZT陶瓷改性一直是压电领域的热点课题，前苏联科学家G.A.Smlensky等人研究了A(B1/2B’1/2)O3型和A(B1/3B’2/3)O3复合钙钛矿型材料，发现采用不同价态的元素复合代替钙钛矿结构中的A、B位离子，不仅可以增加调节压电陶瓷性能的自由度，而且极大丰富了压电陶瓷的种类。
Bi基材料与Pb基的材料相比，有很强的压电性和很高的极化度，环境协调也更好。我们可以据此对PZT进行A位和B位替换，来改性形成新的固溶体，因为Bi3+与Pb2+具有相同的外层稳定电子结构，而Bi有较高的离子价态以及较小的离子半径，使得Bi改性的PbTiO3系列具有更为稳定的化学键结构以及更强的化学键作用，从而使得整个系统的居里温度得到提高。
发明内容
本发明的目的在于利用Bi和复合钙钛矿型化合物(Ti、Zn等)对ABO3型钙钛矿结构的PbTiO3中的Pb进行部分取代改性，采用模板晶粒生长法(TGG)，以片状钙钛矿结构的SrTiO3作为模板材料，综合利用晶粒定向技术、流延成型和冷等静压工艺方法，制备一种新型的具有高居里温度的压电陶瓷材料。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
高居里点低铅压电陶瓷材料的制备方法，是采用模板晶粒生长法(TGG)，以片状钙钛矿结构的SrTiO3作为模板材料，综合利用晶粒定向技术、流延成型和冷等静压工艺方法，具体方法如下：
1)采用熔盐法合成片状SrTiO3晶体，主要由两个步骤来完成，首先在1150℃，助熔剂KCl/NaCl混合熔盐中合成片状前驱体Sr3Ti2O7，然后再通过SrTiO3生长基元，在第一步获得的片状晶体Sr3Ti2O7上进行生长制备出片状的SrTiO3晶体。
2)取500-800g的Bi2O3、TiO2、ZnO、PbO，按Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-PbTiO3的比例混合在一起进行预烧，化学计量比为1∶3∶1∶2。
3)将制好的SrTiO3模板和BZT-PT粉体作为配制流延浆料的粉体，加入溶剂、分散剂、粘结剂和塑性剂，配制好的浆料经过流延、干燥之后得到素坯，将流延素坯进行裁切、叠层、冷等静压并排塑之后进行烧结，得到压电陶瓷材料。
本发明的效果是：在制备过程中用Bi替代部分Pb，不仅可以有效减少陶瓷中Pb的含量，增加压电陶瓷的环境协调性，而且还增加了材料的居里温度，扩展了其使用范围。可广泛应用于航天、石化、冶金、地质勘探等领域。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述：
实施例1
在1150℃，助熔剂KCl/NaCl混合熔盐中合成3h，制备片状SrTiO3晶体。
取235gBi2O3、120gTiO2、40.5gZnO、245gPbO。按Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-PbTiO3的化学计量比混合在一起进行预烧，温度为850℃到1000℃，其中Bi过量5％，Pb过量10％，用以补偿烧结中Bi和Pb的挥发。
将制好的SrTiO3模板和BZT-PT粉体作为配制流延浆料的粉体，加入300-350g乙醇作为溶剂、12-15g三油酸甘油酯为分散剂、60-70g聚乙烯缩丁醛为粘结剂和30-35g邻苯二甲酸二丁酯为塑性剂，配制好的浆料经过600μm流延、45℃干燥12h之后得到素坯，将流延素坯200MPa冷等静压10min，500℃排塑24h之后进行烧结，得到压电陶瓷。
实施例2
在1150℃，助熔剂KCl/NaCl混合熔盐中合成3h，制备片状SrTiO3晶体。
取188gBi2O3、96gTiO2、32.4gZnO、196gPbO。按Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-PbTiO3的化学计量比混合在一起进行预烧，温度为850℃到1000℃，其中Bi过量5％，Pb过量10％，用以补偿烧结中Bi和Pb的挥发。
将制好的SrTiO3模板和BZT-PT粉体作为配制流延浆料的粉体，加入200g-300g乙醇和丁酮混合溶剂作为溶剂、比例为2∶1。8-12g三油酸甘油酯为分散剂、50-60g聚乙烯缩丁醛为粘结剂和20-30g邻苯二甲酸二丁酯、聚乙二醇混合液为塑性剂，配制好的浆料经过500μm流延、45℃干燥12h之后得到素坯，将流延素坯200MPa冷等静压10min，500℃排塑24h之后进行烧结，得到压电陶瓷。

Claims (3)

1.一种高居里点低铅压电陶瓷材料，其化学式为Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-PbTiO3。
2.制备如权利要求1所述的高居里点低铅压电陶瓷材料的方法，该方法是采用模板晶粒生长法，以片状钙钛矿结构的SrTiO3作为模板材料，综合利用晶粒定向技术、流延成型和冷等静压工艺方法，具体方法如下：
(1)采用熔盐法合成片状SrTiO3晶体，主要由两个步骤来完成，首先在1150℃，助熔剂KCl/NaCl混合熔盐中合成片状前驱体Sr3Ti2O7，然后再通过SrTiO3生长基元，在第一步获得的片状晶体Sr3Ti2O7上进行生长制备出片状的SrTiO3晶体；
(2)取500-800g的Bi2O3、TiO2、ZnO、PbO，按Bi(Zn1/2Ti1/2)O3-PbTiO3的比例混合在一起进行预烧，比例为1∶3∶1∶2；
(3)将制好的SrTiO3模板和BZT-PT粉体作为配制流延浆料的粉体，加入溶剂、分散剂、粘结剂和塑性剂，配制好的浆料经过流延、干燥之后得到素坯，将流延素坯进行裁切、叠层、冷等静压并排塑之后进行烧结得到压电陶瓷材料。
3.如权利要求2所述的制备高居里点低铅压电陶瓷材料的方法，所述溶剂选用乙醇或乙醇和丁酮混合溶剂；分散剂选用三油酸甘油酯；粘结剂选用聚乙烯缩丁醛；塑性剂选用邻苯二甲酸二丁酯或邻苯二甲酸二丁酯和聚乙二醇混合液。
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