CN103408303A - 一种高稳定高压电性能压电陶瓷材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无机非金属材料技术领域，特指一种高稳定高压电性能压电陶瓷材料。所述压电陶瓷的组成为：xPb(Mn1/2W1/2)O3-y(Pb0.85Sr0.15)(Ti0.50Zr0.50)O3+0.01~0.5wt%BiMnO3+0.01-0.7wt%LiNbO3+0.03-0.8wt%Ga2O3；其中,0.01≤x≤0.2mol,0.8≤y≤0.99mol,x+y=1。所制备的压电陶瓷的介电常数约为2100左右,机械品质因素为2000左右，径向机电耦合系数为0.75左右，谐振频率温度系数小于0.1%(-55~+85℃),谐振频率时间稳定性好,其变化率(tfr)小于0.005%（老化200小时），介质损耗小于0.5%；使用过程中性能稳定性好，安全性高。

Description

一种高稳定高压电性能压电陶瓷材料
技术领域
   本发明涉及无机非金属材料技术领域，特指一种高稳定高压电性能压电陶瓷材料，它采用常规的固相法陶瓷的制备方法，利用普通化学原料,制备得到高稳定高压电性能压电陶瓷，该压电陶瓷适合于制备高性能超声传感器等。  
技术背景
   压电陶瓷具有优良的压电效应，是功能陶瓷中应用非常广泛的一类，如传感器、换能器、滤波器等，在国民经济和国防工业中发挥着重要的作用，由于无铅压电陶瓷的压电性能与锆钛酸铅基压电陶瓷的压电性能相差很大，目前，压电陶瓷的应用主要是锆钛酸铅基及其三元和四元系压电陶瓷；目前，制作超声传感器、滤波器等器件主要是锆钛酸铅基压电陶瓷，但是其温度稳定性较差，由于温度的波动，容易产生谐振频率的较大漂移，相对带宽的较大的变化，谐振频率时间稳定性不好,其变化率较大,很难满足高压电性能和高稳定（低的谐振频率温度系数,谐振频率时间稳定性好,高的机械品质因素）的要求；为了改进压电陶瓷材料的性能，常采用两种途径：一是通过在基体材料中加入第三元或第四元以形成新材料来达到改性的目的；二是根据不同掺杂离子对材料性能的影响不同，对材料进行掺杂改性；本发明得到高性能超声传感器等器件用高稳定高压电性能的钨锰酸铅锆钛酸铅三元系压电陶瓷，一般情况下，锆钛酸铅压电陶瓷的烧结温度在1260℃~1280℃，本发明的压电陶瓷的烧结温度为1080~1110℃，这样大大的降低能耗，节约成本，同时能抑制氧化铅的挥发。
发明内容
本发明的目的是这样来实现的：
一种高稳定高压电性能压电陶瓷，其配方为：xPb(Mn1/2W1/2)O3-y(Pb0.85Sr0.15)(Ti0.50Zr0.50)O3+0.01~0.5wt%BiMnO3+0.01-0.7wt%LiNbO3+0.03-0.8 wt% Ga2O3；其中, 0.01≤x≤0.2 mol, 0.8≤y≤0.99 mol, x+y =1；其中Pb(Mn1/2W1/2)O3、(Pb0.85Sr0.15)(Ti0.50Zr0.50)O3、BiMnO3、LiNbO3分别是采用常规的化学原料以固相法合成。
   BiMnO3、LiNbO3和Ga2O3的加入量是（xPb(Mn1/2W1/2)O3-y(Pb0.85Sr0.15)(Ti0.50Zr0.50)O3）的质量的百分比。
所述压电陶瓷的介电常数为2083-2112，机械品质因素为2030-2136，径向机电耦合系数为0.74-0.77，谐振频率温度系数在-55~+85℃温度范围内为0.03%-0.1%，老化200小时后的谐振频率时间稳定性tfr为0.0031%-0.0046%，介质损耗为0.35%-0.49%。
   本发明的压电陶瓷所用的BiMnO3的制备过程包括：将常规的化学原料Bi2O3和MnO2按0.5：1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于900℃~950℃保温120分钟，固相反应合成BiMnO3，冷却后研磨过200目筛，备用。
   本发明的压电陶瓷所用LiNbO3的制备过程包括：将常规的化学原料Li2CO3和Nb2O5按1：1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于550℃~750℃保温120分钟，固相反应合成LiNbO3，冷却后研磨过200目筛，备用。
   本发明的压电陶瓷中的Pb(Mn1/2W1/2)O3的制备过程包括：将常规的化学原料Pb3O4和MnO2和WO3按1/3：1/2:1/2摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于850℃保温120分钟，固相反应合成Pb(Mn1/2W1/2)O3，冷却后研磨过200目筛，备用。 
  本发明采用常规的固相法陶瓷制备工艺，即首先按配方配料将配合料球磨粉碎混合，进行烘干后，加入粘合剂造粒，再压制成生坯片，然后在空气中进行排胶和烧结，经保温并自然冷却后，获得钨锰酸铅锆钛酸铅压电陶瓷，在陶瓷上被电极，然后极化，老化，测性能。
上述高稳定高压电性能压电陶瓷的配方最好采用下列二种方案： 
xPb(Mn1/2W1/2)O3-y(Pb0.85Sr0.15)(Ti0.50Zr0.50)O3+0.03~0.45wt.%BiMnO3+0.1~0.6wt.%LiNbO3
+0.1~0.6wt.% Ga2O3;其中,0.05≤x≤0.15 mol, 0.85≤y≤0.95 mol, x+y =1。 
xPb(Mn1/2W1/2)O3y(Pb0.85Sr0.15)(Ti0.50Zr0.50)O3+0.05~0.40wt.%BiMnO3+0.15~0.55wt.%LiNbO3+0.15~0.55 wt.% Ga2O3;其中,0. 1≤x≤0.20mol, 0.80≤y≤0.9 mol, x+y =1。 
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、所制备的压电陶瓷的介电常数约为2100左右,机械品质因素（Qm）为2000左右，径向机电耦合系数（Kp）为0.75左右，谐振频率温度系数（τfr）小于0.1%(-55~+85℃), 谐振频率时间稳定性好, 其变化率(tfr)小于0.005%（老化200小时），介质损耗(tanδ)小于0.5%；使用过程中性能稳定性好，安全性高。 
2、本专利的压电陶瓷性能很容易调节，以满足系列高性能超声传感器等器件的要求。
3、本陶瓷采用常规的固相法压电陶瓷制备工艺即可进行制备，所使用的原料是常规的化学原料，制作成本低。本发明的压电陶瓷的烧结温度为1080~1110℃，这样大大的降低能耗，节约成本，同时能抑制氧化铅的挥发。
 具体实施方式
   现在结合实施例对本发明作进一步的描述，表1给出本发明的实施例共4个试样的配方。
   本发明的实施例共4个试样的配方的主要原料采用常规的化学原料并预先合成Pb(Mn1/2W1/2)O3、(Pb0.85Sr0.15)(Ti0.50Zr0.50)O3、BiMnO3、LiNbO3，按上述配方配料,将配好的料用蒸馏水或去离子水采用行星球磨机球磨混合,料:球:水=1:3:(0.6~1.0),球磨4~8小时后，烘干得干粉料，在干粉料中加入占其重量5~8%的浓度为10%(重量百分比)的聚乙烯醇溶液，进行造粒，混研后过40目筛，再在20~30Mpa压力下进行干压成生坯片，然后在温度为750~850℃下保温1~4小时进行排胶，升温速率为50~100℃/小时；然后将样品置于氧化铝坩埚中，密闭烧结，烧结温度为1080~1110℃，保温时间为1~2小时，即得到陶瓷片。陶瓷片经研磨抛光后两面被覆银电极，并在硅油中120℃左右极化，极化电场为3000~5000伏/mm,极化时间为15~20分钟；极化完毕，测试谐振频率，经过老化200小时测试谐振频率，计算谐振频率随时间的变化率(tfr)；极化完毕,经过老化48小时，测试其他性能。
上述各配方试样的性能列于表2，从表2可以看出,所制备的压电陶瓷的介电常数(ε)约为2100左右,机械品质因素（Qm）为2000左右，径向机电耦合系数（Kp）为0.75左右，谐振频率温度系数（τfr）小于0.1%(-55-+85℃), 谐振频率时间稳定性好, 其变化率(tfr)小于0.005%（老化200小时），介质损耗(tanδ)小于0.5%。
           表1 本发明的实施例共4个试样的配方及性能 
Figure 572957DEST_PATH_IMAGE001
表2本发明的实施例共4个试样的配方的性能
Figure 968167DEST_PATH_IMAGE002
   以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种高稳定高压电性能压电陶瓷，所述压电陶瓷的介电常数为2083-2112，机械品质因素为2030-2136，径向机电耦合系数为0.74-0.77，谐振频率温度系数在-55~+85℃温度范围内为0.03%-0.1%，老化200小时后的谐振频率时间稳定性tfr为0.0031%-0.0046%，介质损耗为0.35%-0.49%，其特征在于：所述压电陶瓷的组成为：xPb(Mn1/2W1/2)O3-y(Pb0.85Sr0.15)(Ti0.50Zr0.50)O3+0.01~0.5wt%BiMnO3+0.01-0.7wt%LiNbO3+0.03-0.8 wt% Ga2O3；其中, 0.01≤x≤0.2 mol, 0.8≤y≤0.99 mol, x+y =1；其中Pb(Mn1/2W1/2)O3、(Pb0.85Sr0.15)(Ti0.50Zr0.50)O3、BiMnO3、LiNbO3分别是采用常规的化学原料以固相法合成，BiMnO3、LiNbO3和Ga2O3的加入量是（xPb(Mn1/2W1/2)O3-y(Pb0.85Sr0.15)(Ti0.50Zr0.50)O3）的质量的0.01~0.5%、0.01-0.7%和0.03-0.8 。
2.   如权利要求1所述的一种高稳定高压电性能压电陶瓷，其特征在于：所述的BiMnO3的制备过程包括：将常规的化学原料Bi2O3和MnO2按0.5：1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于900℃~950℃保温120分钟，固相反应合成BiMnO3，冷却后研磨过200目筛，备用。
3.   如权利要求1所述的一种高稳定高压电性能压电陶瓷，其特征在于：所述LiNbO3的制备过程包括：将常规的化学原料Li2CO3和Nb2O5按1：1摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于550℃~750℃保温120分钟，固相反应合成LiNbO3，冷却后研磨过200目筛，备用。
4.   如权利要求1所述的一种高稳定高压电性能压电陶瓷，其特征在于：所述Pb(Mn1/2W1/2)O3的制备过程包括：将常规的化学原料Pb3O4和MnO2和WO3按1/3：1/2:1/2摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于850℃保温120分钟，固相反应合成Pb(Mn1/2W1/2)O3，冷却后研磨过200目筛，备用。
5.如权利要求1所述的一种高稳定高压电性能压电陶瓷，其特征在于：所述压电陶瓷的组成为：xPb(Mn1/2W1/2)O3-y(Pb0.85Sr0.15)(Ti0.50Zr0.50)O3+0.03~0.45wt.%BiMnO3+0.1~0.6wt.%LiNbO3+0.1~0.6wt.% Ga2O3;其中,0.05≤x≤0.15 mol, 0.85≤y≤0.95 mol, x+y =1。
6.如权利要求1所述的一种高稳定高压电性能压电陶瓷，其特征在于：所述压电陶瓷的组成为：xPb(Mn1/2W1/2)O3-y(Pb0.85Sr0.15)(Ti0.50Zr0.50)O3+0.05~0.40wt.%BiMnO3+0.15~0.55wt.%LiNbO3+0.15~0.55 wt.% Ga2O3;其中,0. 1≤x≤0.20mol, 0.80≤y≤0.9 mol, x+y =1。
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