CN102924081A - 高性能锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷及其制备方法,其原料组分及摩尔百分比为Ba0.85Ca0.15Zr0.1-xMnxTi0.9O3,其中0<x<0.1;经配料、球磨、预烧、二次球磨、造粒、成型、烧结,制得锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷。本发明于1450°C烧结时、MnO2掺杂量为0.5mol.%的压电陶瓷的压电性能最佳,为d33=380pC/N,具有优异的压电性能。
Description
技术领域
本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物,特别涉及一种高压电性能的锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷及其制备方法。
背景技术
压电陶瓷材料作为一种重要的功能材料,应用遍及社会的各个领域及人们生活的各个方面,传统的压电陶瓷材料中应用最广泛的是锆钛酸铅Pb(Zr,Ti)O3(简写为PZT)基压电陶瓷,其含铅量在60%以上,在制备、使用、废弃过程中由于铅的存在对人类及生态环境造成严重的危害,随着各国对环境保护的愈加重视,因此,研究和开发性能优异的无铅压电陶瓷,意义深远且十分迫切。
无铅压电陶瓷不仅是不含铅的压电陶瓷,而且需具有可满足使用需求的良好性能。它要求材料体系本身不含有可能对生态环境造成损害的物质,在制备、使用及废弃后处理过程中也不产生可能对环境有害的物质,且材料的制备工艺具有耗能低等环境协调性特征。目前,已报道的无铅压电陶瓷体系主要多多种,有BaTiO3基无铅压电陶瓷、Bi1/2Na1/2TiO3(BNT)基无铅压电陶瓷、K1/2Na1/2NbO3(KNN)基无铅压电陶瓷等。但是这些无铅压电陶瓷的性能与传统PZT基压电陶瓷相比都有较大差距,限制了其实际应用。
目前,有很多报道通过在无铅压电陶瓷基体中掺杂其他元素,提高其压电性能、降低介电损耗、降低陶瓷烧结温度等。其中二氧化锰(MnO2)是一种常用的陶瓷添加剂,含锰的铅基压电陶瓷具有高的性能,因此,通过在无铅压电陶瓷中掺杂Mn元素有望提高无铅压电陶瓷的压电性能。
发明内容
本发明的目的,是为了改善无铅压电陶瓷的压电性能,提供了一种采用传统的固相合成方法,以锆钛酸钡钙(BZT-BCT)为基体,掺杂MnO2得到一种压电性能更好的无铅压电陶瓷体。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为:
一种高性能锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷,其原料组分及摩尔百分比为Ba0.85Ca0.15Zr0.1-xMnxTi0.9O3,其中0<x<0.100。
上述高性能锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷的制备方法,具有如下步骤:
(1)配料
将原料钛酸钡、钛酸钙、二氧化钛、二氧化锆、二氧化锰按化学计量比Ba0.85Ca0.15Zr0.1-xMnxTi0.9O3,其中0<x<0.100,进行配料;
(2)球磨
将步骤(1)称量好的原料放入球磨罐中,球磨介质为无水乙醇和氧化锆球,原料、无水乙醇和氧化锆球的质量比为1:2:2,球磨6h,再将球磨后的混合料置于烘箱内于90°C烘干;再移至研钵内研磨,过60目筛;
(3)预烧
将步骤(2)过筛后的粉料置于坩埚内,加盖,以5°C/min的速率升温至1200°C,保温3-4h,再以5°C/min的速率降温至800°C,然后自然降温至室温;
(4)二次球磨
将步骤(3)预烧后的粉料以无水乙醇和氧化锆球为介质,球磨6h,氧化锆球、粉料、无水乙醇的质量比为2:1:0.5;再将混合料置于烘箱内于90°C烘干;
(5)造粒
将步骤(4)烘干的粉料研磨、过筛,外加质量百分比为5%的PVB乙醇溶液,再充分研磨,过筛;
(6)成型
将步骤(5)过筛后的粉料放入不锈钢模具内,在100~150MPa压力下压制成型为坯体;
(7)烧结
将步骤(6)的坯体放入烧结炉中,用坩埚盖住,以5°C/min速率升温至600°C,保温2h,继续以5°C/min速率升温至1350~1450°C,保温2h,再以5°C/min速率降温至800°C,随炉自然冷却至室温,制得锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷;
(8)烧电极
将步骤(7)烧结好的压电陶瓷片表面打磨光滑至1mm左右,采用丝网印刷工艺在上下表面涂覆银浆;将压电陶瓷片置于马弗炉中,以5°C/min速率升温至650°C,保温20min,自然冷却至室温;取出压电陶瓷片将其侧面的银浆磨掉;
(9)极化
将步骤(8)的压电陶瓷片置于20~30°C硅油中,极化10~30min,极化电场强度2~3kV/mm;将压电陶瓷片放置24h后测试性能。
所述制备方法步骤(2)和(4)的球磨机转速为700~800转/min。
所述制备方法步骤(6)的不锈钢模具的直径为13mm,压制成型的坯体为圆柱状。
所述制备方法步骤(7)的优选的烧结温度为1450°C。
本发明提供了一种高性能锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷Ba0.85Ca0.15Zr0.1-xMnxTi0.9O3,其中0<x<0.100。本发明1450°C烧结时、MnO2掺杂量为0.5mol.%的压电陶瓷的压电性能最佳,为d33=380pC/N。
附图说明
图1为本发明实施例3-1、3-2、3-3中的XRD图谱;
图2为本发明实施例3-1、3-2、3-3中的介温曲线;
图3为本发明实施例3-1、3-2、3-3中的压电常数随掺杂量变化曲线图。
具体实施方式
本发明高性能锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷的具体制备方法如下:
采用分析纯级99.0%的BaCO3,99.0%的CaCO3、98.5%的TiO2、99.0%的ZrO2、99.0%的MnO2为原料,按照化学计量比Ba0.85Ca0.15Zr0.1-xMnxTi0.9O3,其中0<x<0.100,进行配料;将转移至球磨罐内,加入无水乙醇和氧化锆球为介质,球磨6h,转速800转/min,移至烘箱内于90°C下烘干;再将粉料置于研钵内研磨,过60目筛,转移至坩埚内,将坩埚置于马弗炉中,以5°C/min速率升温至1200°C,保温4h,以5°C/min速率降温至800°C,随炉自然降温至室温,再将预烧后的粉料在研钵中研磨,过60目筛;置于球磨罐中,加入无水乙醇与氧化锆球作为介质,球磨6h,转速800转/min,将混料在烘箱中于90°C下烘干;将粉料研磨过筛,加入3wt.%PVB溶液作为粘结剂,充分研磨,过60目筛;取适量粉体置于不锈钢磨具内,压制成直径13mm的圆片,压强为100MPa;将坯体用坩埚盖住置于马弗炉内,以5°C/min速率升温至600°C,保温1h;继续以5°C/min速率升温至1350~1450°C,保温2h,以5°C/min速率降温至800°C,自然冷却至室温;将陶瓷片上下表面打磨至厚度约1mm,将银浆涂覆在上下表面,放入马弗炉中,以5°C/min速率升温至650°C,保温20min,随炉自然冷却至室温;将陶瓷片置于20°C的硅油中,极化20min,极化场强3kV/mm;放置24h后测试性能。图1为实施例3-1、3-2、3-3所制备的陶瓷的XRD图谱,制备的锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷为单一钙钛矿结构。图2为实施例3-1、3-2、3-3所制备的陶瓷介电常数随温度的变化图,曲线随掺杂量增加逐渐向低温方向移动。图3为实施例3-1、3-2、3-3所制备的陶瓷的压电常数,随掺杂量增加先增加后降低,在x=0.005时压电性能最佳,d33=380pC/N。
本发明具体实施例详见表1。
表1
Claims (4)
1.一种高性能锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷,其原料组分及摩尔百分比为Ba0.85Ca0.15Zr0.1-xMnxTi0.9O3,其中0<x<0.100。
上述高性能锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷的制备方法,具有如下步骤:
(1)配料
将原料钛酸钡、钛酸钙、二氧化钛、二氧化锆、二氧化锰按化学计量比Ba0.85Ca0.15Zr0.1-xMnxTi0.9O3,其中0<x<0.100,进行配料;
(2)球磨
将步骤(1)称量好的原料放入球磨罐中,球磨介质为无水乙醇和氧化锆球,原料、无水乙醇和氧化锆球的质量比为1:2:2,球磨6h,再将球磨后的混合料置于烘箱内于90°C烘干;再移至研钵内研磨,过60目筛;
(3)预烧
将步骤(2)过筛后的粉料置于坩埚内,加盖,以5°C/min的速率升温至1200°C,保温3-4h,再以5°C/min的速率降温至800°C,然后自然降温至室温;
(4)二次球磨
将步骤(3)预烧后的粉料以无水乙醇和氧化锆球为介质,球磨6h,氧化锆球、粉料、无水乙醇的质量比为2:1:0.5;再将混合料置于烘箱内于90°C烘干;
(5)造粒
将步骤(4)烘干的粉料研磨、过筛,外加质量百分比为5%的PVB乙醇溶液,再充分研磨,过筛;
(6)成型
将步骤(5)过筛后的粉料放入不锈钢模具内,在100~150MPa压力下压制成型为坯体;
(7)烧结
将步骤(6)的坯体放入烧结炉中,用坩埚盖住,以5°C/min速率升温至600°C,保温2h,继续以5°C/min速率升温至1350~1450°C,保温2h,再以5°C/min速率降温至800°C,随炉自然冷却至室温,制得锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷;
(8)烧电极
将步骤(7)烧结好的压电陶瓷片表面打磨光滑至1mm左右,采用丝网印刷工艺在上下表面涂覆银浆;将压电陶瓷片置于马弗炉中,以5°C/min速率升温至650°C,保温20min,自然冷却至室温;取出压电陶瓷片将其侧面的银浆磨掉;
(9)极化
将步骤(8)的压电陶瓷片置于20~30°C硅油中,极化10~30min,极化电场强度2~3kV/mm;将压电陶瓷片放置24h后测试性能。
2.根据权利要求1的高性能锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷,提特征在于,所述制备方法步骤(2)和(4)的球磨机转速为700~800转/min。
3.根据权利要求1的高性能锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷,提特征在于,所述制备方法步骤(6)的不锈钢模具的直径为13mm,压制成型的坯体为圆柱状。
4.根据权利要求1的高性能锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷,提特征在于,所述制备方法步骤(7)的优选的烧结温度为1450°C。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130213 |