CN103086715A

CN103086715A - 一种制备钛锆酸铅压电陶瓷粉体的方法

Info

Publication number: CN103086715A
Application number: CN2013100009942A
Authority: CN
Inventors: 李大光; 练澎; 傅维勤; 张小凤; 周舟
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2013-01-05
Filing date: 2013-01-05
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明公开了一种制备钛锆酸铅压电陶瓷粉体的方法，其制备方法是以铅盐、偏钛酸、碳酸锆和草酸为原料，充分混合均匀，经球磨搅拌、干燥、粉碎细磨后，在500～800℃预烧，预烧后的粉体经球磨后，加入聚乙烯醇作为粘结剂，加压成型，650℃下排胶0.5h，然后在高温炉中950～1150℃烧结，经过干燥后涂银，将被银后的压电陶瓷元件进行极化，静置24h后得到钛锆酸铅压电陶瓷；本发明与传统固相法制备PZT压电陶瓷相比，制备工艺简单、能耗低、成本低，特别是，本发明方法降低了烧结温度，产品压电性能稳定，压电常数d₃₃可达372pC/N。

Description

一种制备钛锆酸铅压电陶瓷粉体的方法

技术领域

本发明涉及一种制备钛锆酸铅压电陶瓷粉体的方法。

背景技术

钛锆酸铅（Pb(Zr_xTi_1-x)O₃简称PZT，0<x<1）陶瓷是由PbZrO₃和PbTiO₃构成的二元系钙钛矿结构固溶体，因其具有铁电性、压电性、热释电效应、声光效应等一系列良好的性能，而广泛应用于铁电存储器、微电子机械系统等领域，是目前应用最广泛的压电铁电陶瓷材料。当钛锆比处于三方相和四方相之间的准同型相界（MPB）附近，即Zr/Ti比为0.48-0.52范围内，其压电系数、机电耦合细数、介电常数和自发极化率均达到峰值，具有良好的性能。

但是传统固相法制备PZT基压电陶瓷的烧结温度一般比较高，均为1200-1300℃，而铅的挥发温度在800℃左右，在烧结过程中容易造成铅的挥发，铅的挥发不仅会导致设计配方偏离，产生恶化压电陶瓷性能的异相，影响陶瓷性能，使产品性能下降而且会严重污染环境，因此人们研究各种方法来防止或者减少样品中的铅的挥发。

目前，降低烧结温度的方法主要包括两种：一是掺杂，通过在压电陶瓷中加入低熔点物质来降低烧结温度；二是通过改进烧结工艺或制备工艺来降低烧结温度。在本专利中，我们通过改进传统的固相法，从而降低烧结温度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备钛锆酸铅压电陶瓷粉体的方法，它具有工艺过程简单、能耗低、低污染的优点，是一种绿色化工生产工艺。

本发明提供的一种制备钛锆酸铅压电陶瓷粉体的方法，包括如下步骤：

（1）按化学式Pb(Zr_xTi_1-x)O₃（0<x<1）的化学计量比准确称量铅盐、偏钛酸、碳酸锆，再加入与Pb²⁺、Zr⁴⁺和Ti⁴⁺等摩尔比的草酸，混合均匀；

（2）在室温中将混合物放入搅拌球磨机内，进行搅拌球磨8～12h，发生化学反应，产物经鼓风干燥箱在70～110℃干燥；

（3）将干燥后的粉体放到高温炉中进行预烧，预烧温度为500～800℃，随炉冷却2h后取出；

（4）将预烧后的粉体二次研磨，加入5wt%的聚乙烯醇（PVA）作为粘结剂，均匀混合后，在20～30MPa压力下加压成型，获得陶瓷坯体；

（5）将上述坯体在650℃下排胶0.5h，然后在高温炉中950～1150℃烧结，随炉冷却2h后取出，获得压电陶瓷元件；

（6）压电陶瓷元件的两面均匀涂满银浆，在850℃下烧银，保温0.5h；

（7）将被银后的压电陶瓷元件进行极化，极化时间为15min，极化温度为100～150℃，极化电场为2～4KV/mm，静置24h后得到钛锆酸铅压电陶瓷。

上述步骤（1）中，铅盐为乙酸铅或碱式碳酸铅；钛源采用硫酸法制备钛白粉生产工艺中产生的偏钛酸或者由硫酸氧钛水解得到的偏钛酸。

上述步骤（1）中，上述铅盐、碳酸锆、偏钛酸及草酸的纯度使用工业级及以上纯度级别的原料。

上述步骤（1）中，加入0.1～0.5wt%的铈、锰、镧或钇金属进行掺杂改性。其他操作工艺不变，可以低温制备出PZT压电陶瓷，且性能有所提高。

上述步骤（3）中，预烧时间为1～6h。

上述步骤（5）中，高温烧结时间为1～6h。

本发明的有益效果：

（1）本发明选取铅盐、碳酸锆、偏钛酸及草酸为原料，在室温中球磨发生化学反应，较传统固相法低污染、低能耗、粒径均匀细小，且无废水污染；

（2）烧结温度低，较传统方法大大降低了烧结温度，从而极大地减少了铅的挥发，减少了污染；

（3）本发明具有工艺过程简单、能耗低、低污染的优点，是一种绿色化工生产，可低成本、连续地规模化工业生产工艺。

（4）本发明的产品压电性能稳定，压电常数d₃₃可达372pC/N。

附图说明

图1 实施例1 制备的Pb(Zr_0.52Ti_0.480₃)压电陶瓷的TG-DTA谱图。

图2 实施例1 制备的Pb(Zr_0.52Ti_0.480₃)压电陶瓷的XRD谱图。

图3 本发明的工艺方法框图。

具体实施方式

下面以具体实施例进一步说明本发明。但本发明并不局限于具体实施例。

实施例1

按以下工艺低温合成Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃压电陶瓷。

（1）按化学式PbZr_xTi_1-xO₃（0<x<1），称量0.6mol偏钛酸（TiO(OH)₂），0.4mol碳酸锆（ZrOCO₃），1mol乙酸铅和2mol的草酸，混合均匀后球磨10h，放入鼓风干燥箱80℃干燥，

（2）将干燥后的粉体放到高温炉中预烧，预烧温度为750℃，预烧2h后随炉冷却2h取出来；

（3）将预烧后的粉体二次研磨，并且加入5wt%的PVA溶液作为粘结剂，均匀混合后在25MPa压力下加压成型，可获得陶瓷生坯体。

（4）将上述坯体在650℃下排胶0.5h，放入刚玉坩埚在高温炉中，终烧温度为950℃，终烧时间2h，随炉冷却2h后取出，得到淡黄色的PZT陶瓷片；

（5）经打磨清洗后，在PZT陶瓷片的两面均匀涂满银浆，在850℃下烧银，保温0.5h；将被银后的压电陶瓷元件以2KV/mm的直流电场在硅油中极化15min，温度为120℃，极化，静置24h后测量压电系数d₃₃，d₃₃=372Pc/N。

实施例2

按以下工艺低温合成Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃压电陶瓷。

（1）按化学式PbZr_xTi_1-xO₃（0<x<1），称量0.6mol偏钛酸（TiO(OH)₂），0.4mol碳酸锆（ZrOCO₃），0.8mol碱式碳酸铅和1.8mol的草酸，混合均匀后球磨12h，放入鼓风干燥箱80℃干燥，

（5）在PZT陶瓷片的两面均匀涂满银浆，在850℃下烧银，保温0.5h；将被银后的压电陶瓷元件以4KV/mm的直流电场在硅油中极化15min，温度为150℃，极化，静置24h后测量压电系数。

实施例3

按以下工艺低温合成掺杂改性的Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃压电陶瓷。

（1）按化学式PbZr_xTi_1-xO₃（0<x<1），称量0.6mol偏钛酸（TiO(OH)₂），0.4mol 碳酸锆（ZrOCO₃），0.8mol碱式碳酸铅，1.8mol的草酸和0.005gCeO₂，混合均匀后球磨12h，放入鼓风干燥箱80℃干燥；

（3）将预烧后的粉体二次研磨，并且加入5wt%的PVA溶液作为粘结剂，均匀混合后在25MPa压力下加压成型，可获得陶瓷生坯体；

（5）在PZT陶瓷片的两面均匀涂满银浆，在850℃下烧银，保温0.5h；将被银后的压电陶瓷元件以2KV/mm的直流电场在硅油中极化15min，温度为120℃，极化，静置24h后测量压电系数。

实施例4-12

以偏钛酸TiO(OH)₂、碳酸锆ZrOCO₃、乙酸铅和草酸为原料，严格按照上述的工艺步骤，通过正交试验（L₉(3⁴)）改变实验的影响因素：配比、研磨时间、预烧温度、终烧温度，可得到以下实验结果：

Figure 2013100009942100002DEST_PATH_IMAGE002

Claims

1.一种制备钛锆酸铅压电陶瓷粉体的方法，其特征在于包括如下步骤：

（4）将预烧后的粉体二次研磨，加入5wt%的聚乙烯醇作为粘结剂，均匀混合后，在20～30MPa压力下加压成型，获得陶瓷坯体；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上述步骤（1）中，铅盐为乙酸铅或碱式碳酸铅；钛源采用硫酸法制备钛白粉生产工艺中产生的偏钛酸或者由硫酸氧钛水解得到的偏钛酸。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上述步骤（1）中，上述铅盐、碳酸锆、偏钛酸及草酸的纯度使用工业级及以上纯度级别的原料。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上述步骤（1）中，加入0.1～0.5wt%的铈、锰、镧或钇金属进行掺杂改性。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上述步骤（3）中，预烧时间为1～6h。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上述步骤（5）中，高温烧结时间为1～6h。