CN103319175A - 一种压电陶瓷材料及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电陶瓷材料及其制备方法和应用，包括以下质量百分比的组分：红丹粉65.4%、二氧化锆16.2%、二氧化钛12%、碳酸钡3%、二氧化锡0.6%、五氧化二铌2.7%、二氧化锌0.05%、二氧化锰0.08%、二氧化铬0.02%、二氧化铈0.04%。该组成成分构成的压电陶瓷材料，有利于提高压电陶瓷材料的稳定性，使得制成的超声波清洗用压电振子超过传统的二元系材料及三元系材料指标，灵敏度增加，提高使用寿命，谐振频率变化率、电容量变化率及余震变化率均减小；使得成品合格率提高，工艺简单成本低廉。

Description

一种压电陶瓷材料及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷材料及其制备方法和用途，属于材料科学领域。

背景技术

自从Jaffe（Jaffe B，Roth R S，Marzullo.J.App1.Phys.，1954，25：809—810.[2]Jaffe B，Roth R S，Marzullo S.J.Res.Nal.Bur.Standars.，1955，55：239-254.）等人成功的从PbTiO3(铁电体，四方)和PbZr03(反铁电体，斜方)的固溶体中得到Pb(ZrTi)O3(PZT)陶瓷后，PZT陶瓷以其优良的品质被广泛应用于压电、热电、铁电器件，例如换能器、变压器、电脑的记忆显示器件。随着压电电声器件向着微型化、小型化方向发展以及超声马达等各类压电陶瓷驱动器的开发应用，对压电材料和器件的要求日益提高。人们希望得到一种压电应变常数d33、机电耦合系数Kp、机械品质因数Qm较大，即总体性能较好的材料。

作为大功率压电陶瓷材料要求具有较高的机械强度、较大的机电转换效率、较小的机电损耗和良好的温度稳定性等综合性特点，而传统的PZT二元系及一些三元系压电陶瓷材料很难同时兼顾这些方面的要求。

随着超声技术的发展和超声仪器设备应用的深化,对超声仪器设备的要求也越来越高。超声仪器设备性能的高低很大程度取决于压电陶瓷振子品质的好坏,其故障主要是核心部件——压电陶瓷振子的损坏,如:振子破碎,性能衰减快,漏电流大等，因此压电陶瓷的材料生产配方决定着超声仪器设备的使用性能和寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种压电陶瓷材料，克服现有技术中传统的PZT二元系及一些三元系压电陶瓷材料很难同时兼顾作为大功率压电陶瓷材料要求具有较高的机械强度、较大的机电转换效率、较小的机电损耗和良好的温度稳定性等综合性特点的缺陷。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种压电陶瓷材料，包括以下质量百分比的组分：红丹粉65.4%、二氧化锆16.2%、二氧化钛12%、碳酸钡3%、二氧化锡0.6%、五氧化二铌2.7%、二氧化锌0.05%、二氧化锰0.08%、二氧化铬0.02%、二氧化铈0.04%。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

本发明还提供一种上述压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）称量以下物料：红丹粉65.3%、二氧化锆16.2%、二氧化钛12%、碳酸钡3%、二氧化锡0.6%、五氧化二铌2.7%、二氧化锌0.05%、二氧化锰0.08%、二氧化铬0.02%、二氧化铈0.04%，用精度为0.001g分析天平进行称重；

步骤2）混合均匀后进行球磨：将步骤1）配制的原料于滚动球磨机中混料，采用加水湿磨，球、原料、水的质量比例为：2:1:0.6，球磨时间一般为24小时，筛除球得到粉料、烘干；

步骤3）预烧：将步骤2）烘干后的粉料在650℃保温1～2小时后，再在850℃再保温2小时，预烧形成合成料；一般情况下保温时间的长短也可根据装料多少和装炉多少来确定。

步骤4）球磨破碎：采用滚动球磨机加水湿磨，球、合成料、水的质量比例为：2:1:0.6，球磨时间一般为24小时，筛除球，得到压电陶瓷材料。

本发明还提供一种应用权利要求1所述的压电陶瓷材料制成超声波清洗用压电振子。

本发明还提供一种应用权利要求1所述的压电陶瓷材料制成超声波清洗用压电振子的方法，包括以下步骤：

步骤1）制粒：在粉料中加入粉料质量5%的粘合剂，搅拌均匀，采用喷雾式制粒

步骤2）成型：采用干压成型制成坯体，成型压强为1.5～2吨/cm²；

步骤3）排塑：将步骤2）所述坯体在850℃保温1小时，升温速度为75℃/小时，然后排塑；

步骤4）烧成：将排塑后的坯体在烧成温度为1150℃～1250℃保温2小时，冷却后形成压电陶瓷片打磨至合适尺寸；

步骤5）上电极：在所述压电陶瓷片上设置一层1～2μm（微米）金属薄膜；

步骤6）极化：极化是对步骤5）制备的压电陶瓷片半成品施加3KV/mm强直流电场，使之具有压电性能，制成超声波清洗用压电振子。

本发明的有益效果是：该组成成分构成的压电陶瓷材料，有利于提高压电陶瓷材料的稳定性，使得制成的超声波清洗用压电振子超过传统的二元系材料及三元系材料指标，灵敏度增加，提高使用寿命，谐振频率变化率、电容量变化率及余震变化率均减小；使得成品合格率提高，工艺简单、成本低廉。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明一种压电陶瓷材料，包括以下质量百分比的组分：红丹粉65.4%、二氧化锆16.2%、二氧化钛12%、碳酸钡3%、二氧化锡0.6%、五氧化二铌2.7%、二氧化锌0.05%、二氧化锰0.08%、二氧化铬0.02%、二氧化铈0.04%。

实施例2

本发明一种压电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1）称量以下物料：红丹粉65.3%、二氧化锆16.2%、二氧化钛12%、碳酸钡3%、二氧化锡0.6%、五氧化二铌2.7%、二氧化锌0.05%、二氧化锰0.08%、二氧化铬0.02%、二氧化铈0.04%，用精度为0.001g分析天平进行称重；

步骤2）混合均匀后进行球磨：将步骤1）配制的原料于滚动球磨机中混料，采用加水湿磨，球、原料、水的质量比例为：2:1:0.6，球磨时间24小时，筛除球得到粉料、烘干；

步骤3）预烧：将步骤2）烘干后的粉料在650℃保温2小时后，再在850℃再保温2小时，预烧形成合成料；一般情况下保温时间的长短也可根据装料多少和装炉多少来确定。

步骤4）球磨破碎：采用滚动球磨机加水湿磨，球、合成料、水的质量比例为：2:1:0.6，球磨时间为24小时，筛除球，得到压电陶瓷材料。

实施例3

本发明一种压电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1）称量以下物料：红丹粉65.3%、二氧化锆16.2%、二氧化钛12%、碳酸钡3%、二氧化锡0.6%、五氧化二铌2.7%、二氧化锌0.05%、二氧化锰0.08%、二氧化铬0.02%、二氧化铈0.04%，用精度为0.001g分析天平进行称重；

步骤2）混合均匀后进行球磨：将步骤1）配制的原料于滚动球磨机中混料，采用加水湿磨，球、原料、水的质量比例为：2:1:0.6，球磨时间24小时，筛除球得到粉料、烘干；

步骤3）预烧：将步骤2）烘干后的粉料在650℃保温1小时后，再在850℃再保温2小时，预烧形成合成料；一般情况下保温时间的长短也可根据装料多少和装炉多少来确定。

步骤4）球磨破碎：采用滚动球磨机加水湿磨，球、合成料、水的质量比例为：2:1:0.6，球磨时间为24小时，筛除球，得到压电陶瓷材料。

实施例4

本发明一种采用上述压电陶瓷材料制成超声波清洗用压电振子的方法，包括以下步骤：

步骤1）制粒：在粉料中加入粉料质量5%的粘合剂，搅拌均匀，采用喷雾式制粒；

步骤2）成型：采用干压成型制成坯体，成型压强为1.5吨/cm²；

步骤3）排塑：将步骤2）所述坯体在850℃保温1小时，升温速度为75℃/小时，然后排塑；

步骤4）烧成：将排塑后的坯体在烧成温度为1150℃，保温2小时，冷却后形成压电陶瓷片打磨至合适尺寸；

步骤5）上电极：在所述压电陶瓷片上设置一层1μm（微米）金属薄膜；

步骤6）极化：极化是对步骤5）制备的压电陶瓷片半成品施加3KV/mm强直流电场，使之具有压电性能，制成超声波清洗用压电振子。

实施例5

本发明一种采用上述压电陶瓷材料制成超声波清洗用压电振子的方法，包括以下步骤：

步骤1）制粒：在粉料中加入粉料质量5%的粘合剂，搅拌均匀，采用喷雾式制粒；

步骤2）成型：采用干压成型制成坯体，成型压强为2吨/cm²；

步骤3）排塑：将步骤2）所述坯体在850℃保温1小时，升温速度为75℃/小时，然后排塑；

步骤4）烧成：将排塑后的坯体在烧成温度为1250℃，保温2小时，冷却后形成压电陶瓷片打磨至合适尺寸；

步骤5）上电极：在所述压电陶瓷片上设置一层2μm（微米）金属薄膜；

步骤6）极化：极化是对步骤5）制备的压电陶瓷片半成品施加3KV/mm强直流电场，使之具有压电性能，制成超声波清洗用压电振子。

本发明上述实施例配方组成制备的压电陶瓷材料的性能参数：平面机电耦合系数Kp等于0.6，允许误差6%；自由介电常数

等于1350，允许误差12.5%；机械品质因子Q_m等于1000；介质损耗tanα小于等于0.005。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种压电陶瓷材料，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：红丹粉65.4%、二氧化锆16.2%、二氧化钛12%、碳酸钡3%、二氧化锡0.6%、五氧化二铌2.7%、二氧化锌0.05%、二氧化锰0.08%、二氧化铬0.02%、二氧化铈0.04%。

2.一种权利要求1所述压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）称量以下物料：红丹粉65.4%、二氧化锆16.2%、二氧化钛12%、碳酸钡3%、二氧化锡0.6%、五氧化二铌2.7%、二氧化锌0.05%、二氧化锰0.08%、二氧化铬0.02%、二氧化铈0.04%，用精度为0.001g分析天平进行称重；

步骤2）混合均匀后进行球磨：将步骤1）配制的原料于滚动球磨机中混料，采用加水湿磨，球、原料、水的质量比例为：2:1:0.6，球磨24小时，筛除球得到粉料、烘干；

步骤3）预烧：将步骤2）烘干后的粉料在650℃保温1～2小时后，再在850℃再保温2小时，预烧形成合成料；

步骤4）球磨破碎：采用滚动球磨机加水湿磨，球、合成料、水的质量比例为：2:1:0.6，球磨时间为24小时，筛除球，得到压电陶瓷材料。

3.一种应用权利要求1所述的压电陶瓷材料制成超声波清洗用压电振子。

4.一种应用权利要求1所述的压电陶瓷材料制成超声波清洗用压电振子的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）制粒：在压电陶瓷材料粉料中加入粉料质量5%的粘合剂，搅拌均匀，采用喷雾式制粒；

步骤2）成型：采用干压成型制成坯体，成型压强为1.5～2吨/cm²；

步骤3）排塑：将步骤2）所述坯体在850℃保温1小时，升温速度为75℃/小时，然后排塑；

步骤4）烧成：将排塑后的坯体在烧成温度为1150℃～1250℃保温2小时，冷却后形成压电陶瓷片打磨至合适尺寸；

步骤5）上电极：在合适尺寸的所述压电陶瓷片上设置一层1～2微米金属薄膜；

步骤6）极化：极化是对步骤5）制备的压电陶瓷片半成品施加3KV/mm强直流电场，使之具有压电性能，制成超声波清洗用压电振子。