CN102249674A - 镧掺杂锌铌酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种掺杂La2O3的锌铌酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷，其原料组分及其摩尔百分比含量为0.25Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.75Pb1-xLax(ZrzTi1-z)O3，式中x＝0.03～0.07，z＝0.49～0.57。本发明以Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-Pb(ZrzTi1-z)O3系统为基础，采用传统的氧化物混合方法、常压烧结，制备出具有较好综合性能的0.25PZN-0.75PZT三元压电陶瓷材料，提高了其电学性能，得到了优异的压电性能，提供了一种压电系数d33高、介质损耗tanδ小、综合性能好的压电陶瓷。本发明主要应用于压电陶瓷驱动器、压电变压器、换能器，蜂鸣器等器件。

Description

镧掺杂锌铌酸铅-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，尤其涉及锌铌酸铅-锆钛酸铅(PZN-PZT)压电陶瓷。
背景技术
压电材料是一种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，压电陶瓷除具有压电性能之外，还具有介电性和弹性性能等。压电陶瓷材料由于具有优异的介电性和弹性性能，且制备工艺简单、成本低，因此在信息、航天、激光和生物等高新技术领域及工业生产中都得到了广泛应用。
在换能器应用方面，由于电磁波在水介质中的衰减极大，而压电水声技术利用正、逆压电效应，通过发射或接收声波，可以达到水下探测、通信乃至观察的目的，所以对压电水声技术的研究尤为重要。目前已研制出可侦察上百海里以外水下目标位置及方向的“压电水下雷达”(即声纳系统)。在超声技术中，压电超声诊断仪、超声探伤仪、超声波清洗仪、超声加工设备以及超声计量设备等，其他如电声设备、高压电点火引爆装置等领域，均取得了明显的社会经济效益。
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(微机电系统)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。
尽管人们通过掺杂改性以及工艺的改进，获得了较高压电性能的PZN-PLZT压电陶瓷，但是仍有许多问题未得到解决，其中介电损耗成为一个让很多人头疼的问题。中科院上海硅酸盐研究所的郑夏等人通过对PZN-PLZT体系进行掺杂改性，压电系数d33达580pC/N，但其介电损耗非常大(tanδ＞4×10-2)，而通常压电陶瓷的tanδ＜2×10-2。虽然在此基础上采用热压烧结，使压电系数d33提高到680pC/N，但同样没有解决介电损耗大的问题，即使采用两步合成、热压烧结的方法能获得更高的性能，但他们的成本较高，利用率低，这对于工业应用来说是致命的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种压电系数高、并且介质损耗小的锌铌酸铅-锆钛酸铅(PZN-PLZT)压电陶瓷。
本发明通过以下技术方案予以实现：
掺杂La2O3的锌铌酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷，其原料组分及其摩尔百分比含量为0.25Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.75Pb1-xLax(ZrzTi1-z)O3，式中x＝0.03～0.07，z＝0.49～0.57。
最佳的原料组分及其摩尔百分比含量为0.25Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.75Pb1-xLax(ZrzTi1-z)O3，式中x为0.05，z为0.53。
所述压电陶瓷是单一钙钛矿结构。
所述原料为Pb3O4、ZnO、Nb2O5、ZrO2、TiO2、La2O3。
所述压电陶瓷于1230～1290℃烧结。
本发明的有益效果是，以锌铌酸铅-锆钛酸铅系统Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-Pb(ZrzTi1-z)O3为基础，采用传统方法即传统氧化物混合方法进行合成、常压烧结，通过配方和工艺的调整和改进来制备具有较好综合性能的0.25PZN-0.75PZT三元压电陶瓷材料，提高了其电学性能，得到了优异的压电性能，提供了一种压电系数d33高、介质损耗tanδ小、综合性能好的压电陶瓷，其中d33＞570pC/N、Kp≥0.6、tanδ＜2％。
具体实施方式
本发明采用市售的化学纯原料(纯度≥99％)，为Pb3O4、ZnO、Nb2O5、ZrO2、TiO2、La2O3。
本发明采用的制备方法为：
(1)配料
将原料Pb3O4、ZnO、Nb2O5、ZrO2、TiO2、La2O3按0.25Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.75Pb1-xLax(ZrzTi1-z)O3，式中x＝0.03～0.07，z＝0.49～0.57的化学计量比，混合放入球磨罐中，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40目筛。
(2)合成
将研磨过筛后的粉料放入坩埚内，压实，加盖，密封，在马弗炉中900℃合成，保温2h，自然冷却到室温，出炉。
(3)压片
将合成的料二次球磨、烘干、过筛，加入5wt％～7wt％的聚乙烯醇(PVA)进行造粒，之后将其捣碎，在250Mpa的压强下压制成直径12mm，厚度为1.2mm的圆片状坯件。
(4)排胶
将坯件放入马弗炉中，200℃和350℃各保温0.5h，升温速率为5℃/分钟，至650℃保温1h，进行有机物排除。
(5)烧结
将排胶坯件放入坩埚中，密封，用同类粉料做埋料埋烧，升温速率为6℃/分钟，在1230～1290℃保温2h，随炉自然冷却至室温。
(6)烧银
将烧结好的陶瓷片打磨至0.9～1.1mm厚，采用丝网印刷技术在其上下表面印刷银浆，置于炉中，升温至750℃并保温10min，自然冷却至室温。
(7)极化
将烧好银的试样置于硅油中加热到110～120℃，施加3kv/mm的直流电场，持续20～30min，制备成压电陶瓷。
(8)测试压电性能
极化完的压电陶瓷片，室温下静置24h后测试压电性能。
具体实施例如下：
x＝0.03，z＝0.49，烧结温度为1230℃，1250℃，1270℃，1290℃，分别记为实施例1-1、1-2、1-3、1-4；
x＝0.03，z＝0.51，烧结温度为1230℃，1250℃，1270℃，1290℃，分别记为实施例2-1、2-2、2-3、2-4；
x＝0.03，z＝0.53，烧结温度为1230℃，1250℃，1270℃，1290℃，分别记为实施例3-1、3-2、3-3、3-4；
x＝0.03，z＝0.55，烧结温度为1230℃，1250℃，1270℃，1290℃，分别记为实施例4-1、4-2、4-3、4-4；
x＝0.05，z＝0.51，烧结温度为1230℃，1250℃，1270℃，1290℃，分别记为实施例5-1、5-2、5-3、5-4；
x＝0.05，z＝0.53，烧结温度为1230℃，1250℃，1270℃，1290℃，分别记为实施例6-1、6-2、6-3、6-4；
x＝0.05，z＝0.55，烧结温度为1230℃，1250℃，1270℃，1290℃，分别记为实施例7-1、7-2、7-3、7-4；
x＝0.05，z＝0.57，烧结温度为1230℃，1250℃，1270℃，1290℃，分别记为实施例8-1、8-2、8-3、8-4；
x＝0.07，z＝0.51，烧结温度为1230℃，1250℃，1270℃，分别记为实施例9-1、9-2、9-3；
x＝0.07，z＝0.53，烧结温度为1230℃，1250℃，1270℃，分别记为实施例10-1、10-2、10-3；
x＝0.07，z＝0.55，烧结温度为1230℃，1250℃，1270℃，分别记为实施例11-1、11-2、11-3；
x＝0.07，z＝0.57烧结温度为1230℃，1250℃，1270℃，分别记为实施例12-1、12-2、12-3。
上述实施例的介电性能测试结果列于表1。
表1
Figure BDA0000064072270000041
Figure BDA0000064072270000051
当x＝0.05，z＝0.53即Zr/Ti＝51∶49，烧结温度为1270℃时(实施例6-3)，tanδ＝1.90×10-2(Automatic LCR Meter4225)，
Figure BDA0000064072270000052
d33＝570PC/N(准静态方法，Model/ZJ-3A，China)，Kp＝0.60(目前PZN-PLZT压电陶瓷研究水平在压电系数达580PC/N，但其介电损耗非常大(tan＞4×10-2))。
本发明制备的压电陶瓷材料主要应用于压电陶瓷驱动器、压电变压器、换能器，汽车内置的振动传感器、控制器壳体、蜂鸣器等器件。
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 (5)

1.一种掺杂La2O3的锌铌酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷，其原料组分及其摩尔百分比含量为0.25Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.75Pb1-xLax(ZrzTi1-z)O3，式中x＝0.03～0.07，z＝0.49～0.57。
2.根据权利要求1的掺杂La2O3的锌铌酸铅-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0.25Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.75Pb1-xLax(ZrzTi1-z)O3，式中x为0.05，z为0.53。
3.根据权利要求1或2或3的掺杂La2O3的锌铌酸铅-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。
4.根据权利要求1或2或3的掺杂La2O3的锌铌酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于，所述原料为Pb3O4、ZnO、Nb2O5、ZrO2、TiO2、La2O3。
5.根据权利要求1或2或3的掺杂La2O3的锌铌酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于，所述压电陶瓷于1230～1290℃烧结。
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