CN102718483A - 应用于倒车雷达传感器的压电陶瓷材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷材料，主配方包括（质量百分比）：Pb₃O₄ 65%~68%、SrCO₃1%~2%、Li₂CO₃0.1%~0.2%、Sb₂O₃1.5%~2%、TiO₂11.5%~12%、ZrO₂17.5%~19%，主配方各组分总和100%；以主配方质量总和为基础，添加镧系稀土氧化物0.7%~1.5%。其制备方法包括：（1）按配方称料；（2）一次球磨；（3）预烧；（4）二次球磨；所述的压电陶瓷材料制备倒车雷达传感器的方法包括：（1）挤压；（2）排胶；（3）烧结；（4）按尺寸磨片；（5）印银；（6）烧银；（7）极化。所述的压电陶瓷材料应用于制备倒车雷达传感器。本发明具有以下有益效果：其温度系数小于40ppm，合格率达85%以上，机电耦合系数K_p=62%，介电常数ε=2200，机械品质因素Q_m=90。配方有利于提高车用倒车雷达传感器的灵敏度、稳定电容量、降低余振，提高合格率，降低生产成本。

Description

应用于倒车雷达传感器的压电陶瓷材料及制备方法

技术领域

本发明属于电子材料压电陶瓷技术领域，特别涉及应用于倒车雷达传感器的压电陶瓷材料及制备方法，，进一步地，涉及应用于制备倒车雷达传感器。

背景技术

压电陶瓷由于它性能参数多样性，振动模式的研究与开发利用以及器件制作技术的进步等因素，促使它在近十年来发展甚为迅速，应用日趋广泛，对整个国民经济的发展有着一定的影响。

当在某些各向异性的多晶陶瓷材料上施加应力时，则陶瓷的某些表面上会出现电荷，内部产生电场，这种效应称为正压电效应；反之，在陶瓷材料上施加电压时，它会产生几何变形，这一效应称为逆压电效应。

压电传感器是由压电芯片、铝外壳、吸声材料及引线组成，性能参数要求很高，对谐振频率、动态电容、动态电阻、灵敏度、余振的温度稳定性有严格的要求。性能参数的优劣，主要取决于压电芯片的品质。这就要求制作芯片的压电陶瓷材料性能指标符合传感器性能指标的要求。

传感器芯片尤其对相对带宽△f/fr，电容量C，谐振频率fr，灵敏度 Vr的稳定性要求很高，因为它会直接影响余振。

在2011年6月的《压电陶瓷在汽车领域中的应用研究》公开了压电陶瓷在汽车的传感领域中的应用：汽车倒车防撞报警装置由铝合金外壳、压电陶瓷换能器、吸声材料、引线电极所构成。在压电陶瓷上加一电信号，便产生机械振动而发射超声波，当超声波在空气传播途中碰到障碍物立即被反射回来，作用于压电陶瓷时，则会有电信号输出，通过数据处理时间差测距，计算显示车与障碍物的距离及危险相撞时报警，可准确无误地探测汽车尾部及驾车者视角盲区的微小障碍物。

现有的压电陶瓷材料应用在制作汽车倒车雷达传感器的主要缺点是：原有PZT二元系材料虽然常温及正负温性能尚能满足要求，但是温度系数只能达到80ppm，一般情况下，合格率只有60%，不利于提高车用倒车雷达传感器的灵敏度。

发明内容

针对上述不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种应用于倒车雷达传感器的压电陶瓷材料及制备方法，其可以提高车用倒车雷达传感器的灵敏度。

本发明采用的基本思路是：一种应用于倒车雷达传感器的压电陶瓷材料，其特征在于，按质量百分比计算配方包括：主配方包括（质量百分比）：Pb₃O₄  65%~68%、SrCO₃ 1%~2%、Li₂CO₃ 0.1%~0.2%、Sb₂O₃ 1.5%~2%、TiO₂ 11.5%~12%、ZrO₂ 17.5%~19%，主配方各组分总和100%；以主配方全部组份质量总和为基础，添加镧系稀土氧化物0.7%~1.5%。

所述的镧系稀土氧化物选自氧化钕、氧化镧、氧化镱、氧化铈中的一种或两种以上混合。

所述的压电陶瓷材料应用于制备倒车雷达传感器。

本发明所述的压电陶瓷材料的制备方法具体包括以下步骤：步骤一，按配方称料；步骤二，一次球磨；步骤三，预烧；步骤四，二次球磨。

本发明所述的压电陶瓷材料制备倒车雷达传感器的方法具体包括以下步骤：步骤a，挤压；步骤b，排胶；步骤c，烧结；步骤d，按尺寸磨片；步骤e，印银；步骤f，烧银；步骤g，极化。

本发明具有以下有益效果：

第一，通过添加镧系稀土氧化物，有利于提高压电陶瓷材料的稳定性，使得制成的倒车雷达传感器的性能指标稳定，超过原二元素材料指标，使灵敏度增加，谐振频率变化率减小，电容量变化率减小，余震变化率减小，使得成品合格率显著提高，达到86.5％以上。

第二，有利于提高倒车雷达传感器的灵敏度、稳定电容量，降低余震，提高合格率，降低生产成本。其温度系数小于40ppm，合格率达85%以上，传感器的合格率提高了25%，机电耦合系数K_p=62%，介电常数ε=2200，机械品质因素Q_m=90。

具体实施方式

为了便于对发明的进一步理解，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下实施例中，为了简化描述，将压电陶瓷材料制备方法和利用该压电陶瓷材料制备倒车雷达传感器的方法合并进行了描述，其中，步骤一至步骤四为压电陶瓷的制备方法，步骤a至步骤i为利用该压电陶瓷材料制备倒车雷达传感器压电发电振子的方法。

一种应用于倒车雷达传感器的压电陶瓷材料，其特征在于，按质量百分比计算配方包括：主配方包括（质量百分比）：Pb₃O₄  65%~68%、SrCO₃ 1%~2%、Li₂CO₃ 0.1%~0.2%、Sb₂O₃ 1.5%~2%、TiO₂ 11.5%~12%、ZrO₂ 17.5%~19%，主配方各组分总和100%；以主配方全部组份质量总和为基础，添加镧系稀土氧化物0.7%~1.5%。

例如主配方全部组份质量总和100g，添加镧系稀土氧化物0.7g，此时全部组份的总重量为100.7g；如果添加镧系稀土氧化物1g ，此时全部组份的总重量为101g ；如添加添加镧系稀土氧化物1.5g ，此时全部组份的总重量为101.5g。以下表述类似。

实施例一

按质量百分比计算主配方包括：Pb₃O₄  65%、SrCO₃  2%、Li₂CO₃  0.2%、Sb₂O₃  2%、TiO₂  12%、ZrO₂  18.8%，主配方质量总和为基础，添加镧系稀土氧化物CeO₂  0.3%，及Y_b2O₃  0.4%。

制备方法包括如下步骤：

步骤一，按配方称料

将主配方包括（质量百分比）的原料：Pb₃O₄  65%、SrCO₃  2%、Li₂CO₃  0.2%、Sb₂O₃  2%、TiO₂  12%、ZrO₂  18.8%，按主配方质量总和为基础的CeO₂  0.3%，及Y_b2O₃  0.4%进行配料；

步骤二，一次球磨

将步骤一的配制的原料于球磨机中混料，并加入钢球，钢球：原料的重量比为3.5：1，球磨时间为6小时成为粉料，筛除钢球得到粉料，将粉料烘干；

步骤三，预烧

将步骤二的烘干后的粉料放入氧化铝球坩埚内，加盖于850℃~950℃保温2小时，预烧形成合成料； 

步骤四，二次球磨

将步骤三的合成料再次于球磨机中，按照钢球：合成料的重量比为3.5：1，球磨6小时，筛除钢球，得到压电陶瓷材料。

一种应用所述的压电陶瓷材料制备倒车雷达传感器的方法，其特征在于，包括如下步骤： 

步骤a，挤压

将所述的粉料烘干，外加7wt%的聚乙烯醇水溶液进行挤压，形成坯片；

步骤b，排胶

将步骤a的坯片升温至100℃，保温2小时，再升温至200℃，保温2小时，再升温至300℃，保温2小时， 再升温至400℃，保温2小时，再升温至500℃，保温1小时，再升温至600℃，保温1小时，再升温至750℃，保温1小时，然后排胶；

步骤c，烧结

将步骤b排胶后的坯片采用锆钛酸铅粉料埋烧，在1200℃~1300℃烧成70分钟，随炉冷却，形成压电陶瓷片；

步骤d，按尺寸磨片

将步骤c的烧结好的压电陶瓷片打磨至为直径6~7mm，厚度为0.2mm±0.01mm的压电陶瓷片；

步骤e，印银

采用丝网印刷工艺在步骤d的压电陶瓷片的上、下表面印刷银浆，形成印银制品；

步骤f，烧银

将步骤e的印银制品置于加热炉中，升温至850℃，并保温20分钟，自然冷却至室温，形成烧银制品；

步骤g，极化

将步骤f的烧银制品，置于60℃~180℃的硅油中，施加3kv/mm ~5kv/mm的直流电场，极化15分钟，形成倒车雷达传感器。

在实际应用中，为了更好地保障产品质量，还可以增加如下步骤，当然，以下步骤并非实现本发明的必须步骤，可以根据需要省略或应用。

步骤h，老化

再将施加电场状态的倒车雷达传感器放入硅油中进行急冷2小时，然后去除电场；

步骤i，测量

将步骤h处理的成倒车雷达传感器，于室温下静置24小时后测试其压电性能。

所述步骤（2）的的球磨机为振动球磨机，球磨机的转速为750r/min。

所述步骤（5）的坯体为直径12mm，厚度1.2mm~1.4mm的圆片状坯体。

所述步骤i的测量采用谐振-反谐振法测量样品压电陶瓷片的谐振频率和反谐振频率，以及相应的阻抗︱Z︱，计算机电耦合系数K_p和机械品质因子Q_m，压电常数d₃₃由准静态法测量。

所述步骤二的球磨机为振动球磨机，球磨机的转速为750r/min。

所述步骤a的坯片厚度0.2mm±0.01mm的圆片状坯片。

在具体的应用中，根据倒车雷达传感器的定型需要，可以挤压、打磨成不同尺寸的压电陶瓷片；还可以采用造粒干压步骤替代挤压步骤，并打磨成其他需要尺寸的压电陶瓷片，制成其他尺寸的传感器。

所述的压电陶瓷材料应用于制备倒车雷达传感器。

实施例二

按质量百分比计算主配方包括：Pb₃O₄  68%、SrCO₃  1%、Li₂CO₃  0.2%、Sb₂O₃  1.5%、TiO₂  11.5%、ZrO₂  17.8%，按主配方质量总和为基础的CeO₂ 0.3%，及Y_b2O₃  0.4%。

制备方法类似实施例一，具体包括如下步骤：（1）按上述配方称料；（2）一次球磨；（3）预烧；（4）二次球磨；所述的压电陶瓷材料制备倒车雷达传感器的方法包括：（1）挤压；（2）排胶；（3）烧结；（4）按尺寸磨片；（5）印银；（6）烧银；（7）极化；以及根据需要实施的（8）老化；（9）测量，以此来进一步保证成品质量。

实施例三

按质量百分比计算主配方包括：Pb₃O₄  65%、SrCO₃  2%、Li₂CO₃  0.1%、Sb₂O₃  2%、TiO₂  12%、ZrO₂  18.9%，按主配方质量总和为基础的CeO₂ 0.3%，及Y_b2O₃  0.4%。

制备方法类似实施例一，具体包括如下步骤：（1）按上述配方称料；（2）一次球磨；（3）预烧；（4）二次球磨；所述的压电陶瓷材料制备倒车雷达传感器的方法包括：（1）挤压；（2）排胶；（3）烧结；（4）按尺寸磨片；（5）印银；（6）烧银；（7）极化；以及根据需要实施的（8）老化；（9）测量，以此来进一步保证成品质量。

实施例四

按质量百分比计算主配方包括：Pb₃O₄  67%、SrCO₃  1.3%、Li₂CO₃  0.2%、Sb₂O₃  2%、TiO₂  12%、ZrO₂  17.5%，按主配方质量总和为基础的CeO₂ 0.3%，及Y_b2O₃  0.4%。

制备方法类似实施例一，具体包括如下步骤：（1）按上述配方称料；（2）一次球磨；（3）预烧；（4）二次球磨；所述的压电陶瓷材料制备倒车雷达传感器的方法包括：（1）挤压；（2）排胶；（3）烧结；（4）按尺寸磨片；（5）印银；（6）烧银；（7）极化；以及根据需要实施的（8）老化；（9）测量，以此来进一步保证成品质量。

实施例五

按质量百分比计算主配方包括：Pb₃O₄  65%、SrCO₃  1.9%、Li₂CO₃  0.1%、Sb₂O₃  2%、TiO₂  12%、ZrO₂  19%，按主配方质量总和为基础的CeO₂ 0.3%，及Y_b2O₃  0.4%。

制备方法类似实施例一，具体包括如下步骤：（1）按上述配方称料；（2）一次球磨；（3）预烧；（4）二次球磨；所述的压电陶瓷材料制备倒车雷达传感器的方法包括：（1）挤压；（2）排胶；（3）烧结；（4）按尺寸磨片；（5）印银；（6）烧银；（7）极化；以及根据需要实施的（8）老化；（9）测量，以此来进一步保证成品质量。

实施例六

按质量百分比计算主配方包括：Pb₃O₄ 67.52%、SrCO₃  1.35%、Li₂CO₃  0.14%、Sb₂O₃  1.66%、TiO₂  11.68%、ZrO₂ 17.65%，按主配方质量总和为基础的CeO₂  0.3%，及Y_b2O₃  0.4%。

制备方法类似实施例一，具体包括如下步骤：（1）按上述配方称料；（2）一次球磨；（3）预烧；（4）二次球磨；所述的压电陶瓷材料制备倒车雷达传感器的方法包括：（1）挤压；（2）排胶；（3）烧结；（4）按尺寸磨片；（5）印银；（6）烧银；（7）极化；以及根据需要实施的（8）老化；（9）测量，以此来进一步保证成品质量。

实施例七

按质量百分比计算主配方包括：Pb₃O₄ 67.52%、SrCO₃  1.35%、Li₂CO₃  0.14%、Sb₂O₃  1.66%、TiO₂  11.68%、ZrO₂ 17.65%，按主配方质量总和为基础的CeO₂  0.3%， Y_b2O₃  0.4%，及M_nO₃ 0.25%。

制备方法类似实施例一，具体包括如下步骤：（1）按上述配方称料；（2）一次球磨；（3）预烧；（4）二次球磨；所述的压电陶瓷材料制备倒车雷达传感器的方法包括：（1）挤压；（2）排胶；（3）烧结；（4）按尺寸磨片；（5）印银；（6）烧银；（7）极化；以及根据需要实施的（8）老化；（9）测量，以此来进一步保证成品质量。

实施例八

按质量百分比计算主配方包括：Pb₃O₄ 67.52%、SrCO₃  1.35%、Li₂CO₃  0.14%、Sb₂O₃  1.66%、TiO₂  11.68%、ZrO₂ 17.65%，按主配方质量总和为基础的CeO₂  0.3%， Y_b2O₃  0.4%， M_nO₃ 0.25%，及SiO₂  0.05%。

制备方法类似实施例一，具体包括如下步骤：（1）按上述配方称料；（2）一次球磨；（3）预烧；（4）二次球磨；所述的压电陶瓷材料制备倒车雷达传感器的方法包括：（1）挤压；（2）排胶；（3）烧结；（4）按尺寸磨片；（5）印银；（6）烧银；（7）极化；以及根据需要实施的（8）老化；（9）测量，以此来进一步保证成品质量。

本发明的压电陶瓷材料与国内外现有技术的性能参数对比表。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，即使对各个步骤的执行顺序进行了改变，都属于本发明的保护范围。熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种压电陶瓷材料，其特征在于，主配方包括（质量百分比）：Pb₃O₄  65%~68%、SrCO₃ 1%~2%、Li₂CO₃ 0.1%~0.2%、Sb₂O₃ 1.5%~2%、TiO₂ 11.5%~12%、ZrO₂ 17.5%~19%，主配方各组分总和100%；以主配方质量总和为基础，添加镧系稀土氧化物0.7%~1.5%。

2.如权利要求1所述的压电陶瓷材料，其特征在于：所述的镧系稀土氧化物选自氧化钕、氧化镧、氧化镱、氧化铈中的一种或两种以上混合。

3.如权利要求1所述的压电陶瓷材料，其特征在于，所述的主配方包括：Pb₃O₄ 67.52%、SrCO₃ 1.35%、Li₂CO₃ 0.14%、Sb₂O₃ 1.66%、TiO₂ 11.68%、ZrO₂ 17.65%，镧系稀土氧化物包括CeO₂ 0.3%、Y_b2O₃0.4%。

4.如权利要求3所述的压电陶瓷材料，其特征在于，所述的配方还包括：以主配方质量总和为基础，添加M_nO₃ 0.25%。

5.如权利要求4所述的压电陶瓷材料，其特征在于，所述的配方还包括：以主配方质量总和为基础，添加SiO₂  0.05%。

6.权利要求1至5中任何一项所述的压电陶瓷材料应用于制备倒车雷达传感器。

7.一种权利要求1所述的压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，按配方称料

将主配方包括（质量百分比）的原料：Pb₃O₄  65%~75%、SrCO₃  1%~2%、Li₂CO₃  0.1%~0.2%、Sb₂O₃ 1.5%~2%、TiO₂ 11.5%~12%、ZrO₂ 17.5%~19%，镧系稀土氧化物按主配方质量总和为基础的0.7%~1.5%进行配料；

步骤二，一次球磨

将步骤一的配制的原料于球磨机中混料，并加入钢球，钢球：原料的重量比为3.5：1，球磨时间为6小时成为粉料，筛除钢球得到粉料，将粉料烘干；

步骤三，预烧

将步骤二的烘干后的粉料放入氧化铝坩埚内，加盖于850℃~950℃保温2小时，预烧形成合成料； 

步骤四，二次球磨

将步骤三的合成料再次于球磨机中，按照钢球：合成料的重量比为3.5：1，球磨6小时，筛除钢球，得到压电陶瓷材料。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述步骤二的球磨机为振动球磨机，球磨机的转速为750r/min。

9.一种应用权利要求1所述所述的压电陶瓷材料制备倒车雷达传感器的方法，其特征在于，包括如下步骤：：

步骤a，挤压

将所述的粉料烘干，外加7wt%的聚乙烯醇水溶液进行挤压，形成坯片；

步骤b，排胶

将步骤a的坯片升温至100℃，保温2小时，再升温至200℃，保温2小时，再升温至300℃，保温2小时， 再升温至400℃，保温2小时，再升温至500℃，保温1小时，再升温至600℃，保温1小时，再升温至750℃，保温1小时，然后排胶；

步骤c，烧结

将步骤b排胶后的坯片采用锆钛酸铅粉料埋烧，在1200℃~1300℃烧成70分钟，随炉冷却，形成压电陶瓷片；

步骤d，按尺寸磨片

将步骤c的烧结好的压电陶瓷片进行打磨至直径6~7mm；厚度为0.2±0.01mm的压电陶瓷片；

步骤e，印银

采用丝网印刷工艺在步骤d的压电陶瓷片的上、下表面印刷银浆，形成印银制品；

步骤f，烧银

将步骤e的印银制品置于加热炉中，升温至850℃，并保温20分钟，自然冷却至室温，形成烧银制品；

步骤g，极化

将步骤f的烧银制品，置于60℃~180℃的硅油中，施加3kv/mm ~5kv/mm的直流电场，极化15分钟。

10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述步骤a的坯片厚度0.2±0.01mm的圆片状坯片。