CN103304235A - 一种细晶高强度pmn-pzt压电陶瓷材料的生产方法 - Google Patents

一种细晶高强度pmn-pzt压电陶瓷材料的生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种细晶高强度PMN-PZT压电陶瓷材料的生产方法，其生产方法的步骤如下：称料：以PbO、MgO、Nb2O5、TiO2、ZrO2、Bi2O3、MnO2为原料，按化学计量比(x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x)Pb(TiyZr1-y)O3-(a)Bi2O3-(b)MnO2-(c)Nb2O5-(d)ZnO-(e)SnO2(x＝0.35～0.40，y＝0.40～0.70，a、b、c、d、e＝0～1％)称量，经过球磨、煅烧、二次球磨、造粒、压片、排粘、烧结等工序后得到产品。通过上述方式，本发明能够大大降低现有技术中PMN-PZ-PT的合成温度，陶瓷样品致密度高，晶粒细小(～2μm)、晶粒大小均匀，断裂模式也实现了从沿晶断裂模式向穿晶断裂模式的转化，即晶界强度得到了大大的提高。

Description

一种细晶高强度PMN-PZT压电陶瓷材料的生产方法
技术领域
本发明涉及低温烧结细晶压电材料领域，特别是涉及一种细晶高强度PMN-PZT压电陶瓷材料的生产方法。
背景技术
通常PMN-PZT陶瓷材料的烧结温度在1200～1260℃，如此高的温度不仅增加了Pb的挥发，而且晶粒会严重长大，高温烧结与大晶粒尤其不利于与Ag电极低烧制备多层压电陶瓷。另一方面，陶瓷的脆性是限制其使用的另一大瓶颈，而这主要来源于陶瓷晶界的低强度。
PMN-PZT具有高的压电性能和大的电致伸缩性能，但是采用传统的固相法制备时，烧结温度高达1200℃以上，如此高的烧结温度不仅使化学计量比失衡，而且会导致晶粒严重长大，高的烧结温度及大晶粒均不利于MLCC的制备，而且晶粒太大会严重降低陶瓷材料的强度，降低陶瓷器件的寿命。虽然采用特殊的制备工艺(如高能球磨工艺)可以降低陶瓷材料的晶粒度，但是工艺复杂、成本高，不利于工业化生产。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种细晶高强度PMN-PZT压电陶瓷材料的生产方法，能够大大降低现有技术中PMN-PZ-PT的合成温度，陶瓷样品致密度高，晶粒细小(～2μm)、晶粒大小均匀，断裂模式也实现了从沿晶断裂模式向穿晶断裂模式的转化，即晶界强度得到了大大的提高。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种细晶高强度PMN-PZT压电陶瓷材料的生产方法，其生产方法的步骤如下：
1)、称料：以PbO、MgO、Nb2O5、TiO2、ZrO2、Bi2O3、MnO2为原料，按化学计量比(x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x)Pb(TiyZr1-y)O3-(a)Bi2O3-(b)MnO2-(c)Nb2O5-(d)ZnO-(e)SnO2(x＝0.35～0.40，y＝0.40～0.70，a、b、c、d、e＝0～1％)称量；
2)、球磨：行星球磨(球磨介质为二氧化锆球)以去离子水为湿磨介质，转速340r/min，球磨时间8～16h；
3)、煅烧：球磨料110℃烘干并混匀后进行煅烧，煅烧温度800～850℃，煅烧时间3～5h；
4)、二次球磨：行星球磨(球磨介质为二氧化锆球)以去离子水为湿磨介质，转速340r/min，球磨时间16～24h；
5)、造粒、压片：二次球磨料110℃烘干并混匀后加入8wt％的PVA造粒，并在250～300MPa下干压成型(φ13×1mm)；
6)、排粘：由室温经5～10h升温至550℃～600℃，保温2～5h进行排粘；
7)、烧结：烧结温度900～950℃，保温时间3～5h。
本发明的有益效果是：本发明一种细晶高强度PMN-PZT压电陶瓷材料的生产方法，采用传统电子陶瓷工艺，通过调整x与y以及a、b、c、d、e的数值，进行元素之间的合理搭配，即元素掺杂与替代，大大降低了现有技术中PMN-PZ-PT的合成温度，陶瓷样品致密度高，晶粒细小(～2μm)、晶粒大小均匀，断裂模式也实现了从沿晶断裂模式向穿晶断裂模式的转化，即晶界强度得到了大大的提高。这不仅促进了其铁电和压电性能的提高，也为获取高机械强度的器件做了组织准备。
附图说明
图1是本发明种细晶高强度PMN-PZT压电陶瓷材料的生产方法在950℃保温5h陶瓷样品的XRD图谱；
图2是本发明种细晶高强度PMN-PZT压电陶瓷材料的生产方法在950℃保温5h陶瓷样品的SEM图谱；
图3是本发明种细晶高强度PMN-PZT压电陶瓷材料的生产方法沿晶断裂模式陶瓷样品的SEM图谱；
图4是本发明种细晶高强度PMN-PZT压电陶瓷材料的生产方法部分穿晶断裂模式陶瓷样品断面的SEM图谱；
图5是本发明种细晶高强度PMN-PZT压电陶瓷材料的生产方法全部穿晶断裂模式陶瓷样品断面的SEM图谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1至图5，本发明实施例包括：
实施例1：
普通球磨制备沿晶断裂模式的陶瓷材料。根据(x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x)Pb(TiyZr1-y)O3-(a)Bi2O3-(b)MnO2-(c)Nb2O5-(d)ZnO-(e)SnO2(x＝0.37，y＝0.50)(a＝b＝0.5％，c＝1％，d＝e＝0.1％)配方，用电子天平分别称量称取各氧化物粉体，以去离子水作为介质，用行星式球磨机将原料混合24h，浆料110℃烘干，然后将得到的粉料经850℃保温5h，进行预烧。预烧后的粉体经二次球磨、再次烘干后加入8wt％PVA作为粘结剂进行造粒、以300MPa干压成型、在550℃保温4h排粘，之后于程序控温箱式炉中进行烧结，烧结温度950℃，保温时间5h，得到的陶瓷片经砂纸打磨，测XRD和断面的SEM。
图1是950℃保温5h陶瓷样品的XRD图谱，说明了所制备的陶瓷样品为钙钛矿结构，出现的焦绿石杂相含量不高(＜2％)。
图2陶瓷样品的SEM图谱，说明了所烧结的陶瓷均匀致密，气孔率低。
图3是沿晶断裂模式陶瓷样品的SEM图谱，显示晶粒尺寸～2m)。
实施例2：
普通球磨制备部分穿晶断裂模式的陶瓷材料。根据(x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x)Pb(TiyZr1-y)O3-(a)Bi2O3-(b)MnO2-(c)Nb2O5-(d)ZnO-(e)SnO2(x＝0.37，y＝0.50)(a＝1％，b＝0.1％，c＝d＝e＝0.5％)配方，用电子天平分别称量称取各氧化物粉体，以去离子水作为介质，用行星式球磨机将原料混合24h，浆料110℃烘干，然后将得到的粉料经850℃保温5h，进行预烧。预烧后的粉体经二次球磨、再次烘干后加入8wt％PVA作为粘结剂进行造粒、以300MPa干压成型、在550℃保温4h排粘，之后于程序控温箱式炉中进行烧结，烧结温度950℃，保温时间5h，得到的陶瓷片经砂纸打磨，测XRD和断面的SEM。
图4是部分穿晶断裂模式陶瓷样品断面的SEM图谱。
实施例3：
普通球磨制备完全穿晶断裂模式的陶瓷材料。根据(x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x)Pb(TiyZr1-y)O3-(a)Bi2O3-(b)MnO2-(c)Nb2O5-(d)ZnO-(e)SnO2(x＝0.37，y＝0.50)(a＝1％，b＝0.5％，c＝1％，d＝e＝0.8％)配方，用电子天平分别称量称取各氧化物粉体，以去离子水作为介质，用行星式球磨机将原料混合24h，浆料110℃烘干，然后将得到的粉料经850℃保温5h，进行预烧。预烧后的粉体经二次球磨、再次烘干后加入8wt％PVA作为粘结剂进行造粒、以300MPa干压成型、在550℃保温4h排粘，之后于程序控温箱式炉中进行烧结，烧结温度950℃，保温时间5h，得到的陶瓷片经砂纸打磨，测XRD和断面的SEM。
图5是几乎全部为穿晶断裂模式的陶瓷样品断面的SEM图谱，基本上分辨不出晶粒与晶界。
从图2陶瓷样品的SEM图谱中可以看出，本发明中的陶瓷均匀致密，气孔率低。图3、图4、图5分别为不同掺杂量所得到的陶瓷样品断面形貌，可以看出，陶瓷晶粒尺寸约为2m，而且实现了从沿晶断裂模式向穿晶断裂模式的转化，在穿晶断裂模式下(见图5)，基本上分辨不出陶瓷颗粒之间的晶界，从侧面说明了陶瓷强度得到了大大的提高，晶界强度已经可以跟晶粒内部的强度相当。
本发明一种细晶高强度PMN-PZT压电陶瓷材料的生产方法，采用传统电子陶瓷工艺，通过调整x与y以及a、b、c、d、e的数值，进行元素之间的合理搭配，即元素掺杂与替代，大大降低了现有技术中PMN-PZ-PT的合成温度，陶瓷样品致密度高，晶粒细小(～2μm)、晶粒大小均匀，断裂模式也实现了从沿晶断裂模式向穿晶断裂模式的转化，即晶界强度得到了大大的提高。这不仅促进了其铁电和压电性能的提高，也为获取高机械强度的器件做了组织准备。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种细晶高强度PMN-PZT压电陶瓷材料的生产方法，其特征在于：其生产方法的步骤如下：
1)、称料：以PbO、MgO、Nb2O5、TiO2、ZrO2、Bi2O3、MnO2为原料，按化学计量比(x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x)Pb(TiyZr1-y)O3-(a)Bi2O3-(b)MnO2-(c)Nb2O5-(d)ZnO-(e)SnO2(x＝0.35～0.40，y＝0.40～0.70，a、b、c、d、e＝0～1％)称量；
2)、球磨：行星球磨(球磨介质为二氧化锆球)以去离子水为湿磨介质，转速340r/min，球磨时间8～16h；
3)、煅烧：球磨料110℃烘干并混匀后进行煅烧，煅烧温度800～850℃，煅烧时间3～5h；
4)、二次球磨：行星球磨(球磨介质为二氧化锆球)以去离子水为湿磨介质，转速340r/min，球磨时间16～24h；
5)、造粒、压片：二次球磨料110℃烘干并混匀后加入8wt％的PVA造粒，并在250～300MPa下干压成型(φ13×1mm)；
6)、排粘：由室温经5～10h升温至550℃～600℃，保温2～5h进行排粘；
7)、烧结：烧结温度900～950℃，保温时间3～5h。
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