CN103011816A

CN103011816A - 二元铁电固溶体铌镥酸铅-钛酸铅的制备方法

Info

Publication number: CN103011816A
Application number: CN2012105198359A
Authority: CN
Inventors: 刘颖; 龙西法; 沈东全; 李修芝; 王祖建; 何超
Original assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Current assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明公布两步合成法制备二元铁电固溶体铌镥酸铅-钛酸铅。该工艺分两步合成陶瓷粉体：第一步先合成前驱体铌酸镥（LuNbO₄）；第二步将LuNbO₄与氧化铅（PbO）、氧化钛（TiO₂）混合研磨，煅烧得到钙钛矿结构的PLNT的预合成粉末，再将预合成粉末研磨，成型，排塑，然后埋烧从而得到纯钙钛矿相PLNT二元固熔体。本发明是合成PLNT二元弛豫铁电陶瓷的有效方法，能够很好的抑制烧绿石的形成，得到纯钙钛矿相的陶瓷，该工艺还可以用于PLN基三元或多元弛豫铁电陶瓷固溶体制备。

Description

二元铁电固溶体铌镥酸铅-钛酸铅的制备方法

技术领域

本发明涉及一种二元弛豫铁电固溶体的制备方法。具体而言，本发明涉及到一种二元具有MPB结构且居里温度相对较高的弛豫铁电陶瓷材料铌镥酸铅-钛酸铅的制备方法。

背景技术

铁电/压电陶瓷材料是一种具有压电性能的固熔体材料，是功能器件的重要组成。其具有性能优异、价格便宜、易于批量生产等优点，已被广泛应用于社会生产的各个领域并处于绝对的优势支配地位。PZT（Pb(Zr_1-xTi_x)O₃）陶瓷是一种广泛应用于医学超声换能器、水声换能器、驱动器以及超声马达等方面的传统压电材料。自20世纪50年代以来在压电应用领域起着重要的作用。主要是由于PZT陶瓷存在准同型相界(MPB)，且MPB区域居里温度高、压电性强、稳定性好等优点，更重要是很容易通过掺杂改性以满足不同的需要。

随着MPB研究的深入，新的MPB在Relaxor-PT材料中被发现。弛豫铁电体可以形成固溶体并且表现出比PZT更优良的介电、压电性能，其中比较典型的就是(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)-xPbTiO₃（PMNT）和(1-x)Pb(Zn_1/3Nb_2/3)-xPbTiO₃（PZNT）体系。该类单晶材料组分在MPB附近表现出高的机电耦合系数（k₃₃> 90%）、超高压电系数（d₃₃> 2000pC/N）和大的应变（>1%）而成为新一代的超声换能器、传感器和驱动器的核心压电材料。尽管PMNT 和 PZNT具有这些优异的性质，但其相对低的居里温度和更低的三方四方相变温度使这些材料容易退极化，进而降低了其压电性使用温度范围。为了克服这种缺陷，近年来国际上主要通过掺杂改性来解决，此外也有一些其他高居里温度、高性能的二元压电体系被研究，例如PSN-PT、PYN-PT、PIN-PT等。

铌镥酸铅（PLN）陶瓷为典型的反铁电体，在270°C发生顺电相-反铁电相变，可以与PT形成准同型相界区域。Pb(Lu_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃（PLN-PT或PLNT）是目前具有居里点相对较高的弛豫铁电体，之前我们课题组做了大量关于PLNT单晶和陶瓷的研究，PLNT单晶表现出了超高的居里温度和较好的压电性能（E_c~360℃，d₃₃~1630pc/N，k₃₃~0.8），PLNT在高温领域的压电应用方面，将表现出巨大的前景和价值。

基于此，我们想通过改进传统的PLNT合成工艺，来进一步提高PLNT陶瓷的性能。研究PLNT二元铁电体系的合成，开展对PLNT二元体系不同组分的结构和介电、压电性能的系统研究，以求获得综合性能优异的新型铁电/压电材料。

发明内容

本发明的目的在于通过改良制备方法从而制备具有更高性能的纯钙钛矿相的二元弛豫铁电固溶体PLNT，本发明提供了一种两步合成法制备工艺，该工艺能有效抑制制备过程中烧绿石相的形成，得到具有纯钙钛矿相的二元弛豫铁电固溶体P LN-PT。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

（1）前驱体铌酸镥（LuNbO₄）的合成：按照相应的化学式的化学计量比，将氧化镥 (Lu₂O₃)和氧化铌（Nb₂O₅）混合(其中Lu₂O₃过量1%)研磨，1150℃煅烧2h，得到前驱体LuNbO₄；

（2）纯钙钛矿相的二元铁电固溶体铌镥酸铅-钛酸铅的制备：将得到的LuNbO₄与 PbO、TiO₂ 按照化学计量比称重混合(其中PbO过量2%)研磨，煅烧温度为850-950℃，保温4h，得到钙钛矿结构的PLNT预合成粉末；将预合成粉末加无水乙醇手工研磨2h，加入3-5wt% 的PVA，烘干，20-30MPa压片，300-500℃排胶1-3小时，然后在950°C-1100°C共烧，保温3h，得到钙钛矿结构的PLNT二元陶瓷。

本发明的有益效果是，有效地抑制了制备过程中烧绿石相的形成，得到的PLN-PT二元陶瓷具有纯的钙钛矿相，陶瓷烧结质量好，晶粒均匀致密，性能良好。

具体实施方式

实施例一（0.59PLN-0.41PT）：

按照化学式以0.01mol配料。分别称量Lu₂O₃、Nb₂O₅，将其置于玛瑙研钵中，加无水乙醇手工研磨2h；烘干，在20Mpa下压片；然后置于有盖的坩埚中煅烧，在1150℃反应2h；称量得到的LuNbO₄前驱体与按照相应的比例称量的PbO、TiO₂，在玛瑙研钵中，加无水乙醇手工研磨2h；烘干，20Mpa压片；在800℃反应4h；得到0.59PLN-0.41PT的陶瓷粉体。

将得到的陶瓷粉体在在玛瑙研钵中，加无水乙醇手工研磨2h，加入3-5wt% 的PVA，研磨均匀；烘干，在25Mpa下压成直径10mm，厚度0.5-1.5mm的圆片；在300℃排塑3h；烧结方式采用埋烧，将其置于密闭坩埚中，并且埋入同组分的预合成的粉末中，在950℃烧结，保温3h；得到的陶瓷呈淡黄色。

实施例二（0.58PLN-0.42PT）：

按照化学式以0.01mol配料。在1000℃烧结，保温3h；其他步骤如实施例一。

实施例三（0.57PLN-0.43PT）：

按照化学式以0.01mol配料。在1030℃烧结，保温3h；其他步骤如实施例一。

实施例四（0.56PLN-0.44PT）：

按照化学式以0.01mol配料。在1050℃烧结，保温3h；其他步骤如实施例一。

实施例五（0.55PLN-0.45PT）：

按照化学式以0.01mol配料。在1060℃烧结，保温3h；其他步骤如实施例一。

实施例六（0.54PLN-0.46PT）：

按照化学式以0.01mol配料。在1070℃烧结，保温3h；其他步骤如实施例一。

实施例七（0.53PLN-0.47PT）：

按照化学式以0.01mol配料。在1080℃烧结，保温3h；其他步骤如实施例一。

实施例八（0.52PLN-0.48PT）：

按照化学式以0.01mol配料。在1100℃烧结，保温3h；其他步骤如实施例一。

实施例九（陶瓷的结构确定）：

采用X射线粉末衍射，确定陶瓷的结构。具体测试条件为室温下，测量角度范围为10-80^o，采用的步长为0.02^o (2θ)，每分钟7^o。测试结果显示所有的组分结构都为纯钙钛矿相，未见焦绿石等杂项，分析得到该二元体系具有MPB结构，范围为x = 0.48-0.50。

Claims

1.两步合成法制备纯钙钛矿结构的二元铁电固溶体铌镥酸铅-钛酸铅，其特征在于包括以下步骤：

（1）前驱体铌酸镥（LuNbO₄）的合成：按照相应的化学式的化学计量比，将氧化镥 (Lu₂O₃)和氧化铌（Nb₂O₅）混合研磨，煅烧，得到前驱体LuNbO₄；

（2）纯钙钛矿相的二元铁电固溶体铌镥酸铅-钛酸铅（(1-x)Pb(Lu_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃(0 < x < 1) 或PLN-PT或PLNT）的制备：将得到的LuNbO₄与 PbO、TiO₂ 按照化学计量比称重混合研磨煅烧，得到钙钛矿结构的PLNT预合成粉末；将预合成粉末研磨，成型，烘干，排胶，烧结，得到钙钛矿结构的PLNT二元陶瓷。

2.如权利要求1所述的两步合成法制备PLNT陶瓷，其特征在于：第一步先合成前驱体LuNbO₄，可以抑制烧绿石相的产生；第二步合成钙钛矿结构的PLNT预合成粉末。

3.如权利要求1所述的两步合成法制备PLNT陶瓷，其特征在于：将氧化镥 (Lu₂O₃)和氧化铌（Nb₂O₅）混合(其中Lu₂O₃过量1%)研磨，1150℃煅烧2h，得到前驱体LuNbO₄。

4.如权利要求1所述的两步合成法制备PLNT陶瓷，其特征在于：第一步合成的前驱体LuNbO₄与 PbO、TiO₂ 按照化学计量比称重(其中PbO过量2%)混合置于密闭坩埚中煅烧，煅烧温度为850-950℃，保温4h。

5.如权利要求1所述的两步合成法制备PLNT陶瓷，其特征在于：在研钵中预合成粉末加无水乙醇手工研磨2h，加入3-5wt% 的PVA，烘干，20-30MPa 压片，300-500℃排胶1-3小时，然后在950°C-1100°C共烧，保温3h。

6.如权利要求1所述的两步合成法制备PLNT陶瓷，其特征在于：煅烧得到的是具有钙钛矿结构的铌镥酸铅-钛酸铅陶瓷粉体。