CN103693960B - 一种具有高电致应变的铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高电致应变的铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电陶瓷,所述的铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电陶瓷的组成成分为（xPb(Al0.5Nb0.5)O3-（0.2-x）Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr0.52Ti0.48)O3）,其中0≤x<0.20。采用三步烧结法制备而成,将烧结后的陶瓷片用磨片机磨至1mm左右,利用丝网印刷双面刷上银电极,在650℃空气中烧结,对烧制电极的陶瓷片测试其XRD、电滞回线和场致应变,这种新型具有高电致应变的材料应用于驱动器,本发明的效果在于,与PZN-PZT相比,本发明具有制备简单,成本低,高电致应变等优点。

Description

一种具有高电致应变的铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于功能陶瓷领域，涉及一种新型高电致应变压电陶瓷材料，具体为一种具有大的应变系数的铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法和应用。
背景技术
固态驱动器等应用要求材料在较小电场下能够有较大的应变输出，从而在激励电压下实现控制与定位，长期以来，驱动器所有材料中，占据统治地位的一直是以PZT为基的多元系含铅压电陶瓷材料，因此，多年来国内外的陶瓷研究工作者都把研究的重点放在PZT陶瓷材料的研究上，以锆钛酸铅为基础，用多种元素改进的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。
Pb(Zn1/3Nb2/3)O3(PZN)具有140℃高居里点和良好的介电、压电特性，将其和PZT进行复合形成的三元系压电陶瓷具有极为优异的压电性能，从而引起人们的广泛兴趣。因此选择以Pb(Zn1/3Nb2/3)ZrTiO3为基础配方组成的材料进行研究，有望得到较理想的材料。
在压电驱动器的应用中，往往要求材料在较小电场下能够有较大的应变输出，所以本文在前期对铌锌酸铅-锆钛酸铅体系研究基础上，通过组分结构与设计，制备了一种具有高电致应变的材料,室温下，在3kv/mm的电场下可获得～0.24%的场致应变，等效压电系数高达767pm/V，适用于位移控制等领域。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种具有高电致应变的铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电陶瓷及其制备方法，以解决现有技术的上述问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有大的场致应变的铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电陶瓷，所述的铌锌酸铅-锆钛酸铅基含铅体系的组成成分为（xPb(Al0.5Nb0.5)O3-（1-x）Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr0.52Ti0.48)O3）,其中0≤x<0.20。
上述铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电陶瓷的制备方法,采用三步烧结法,具体的制备方法如下:
（1）关于铌酸铝（AlNbO4）的制备：按照摩尔比1:1称取Nb2O5和Al2O3，并充分混合球磨均匀，烘干后在1100℃～1200℃煅烧2～3小时，将煅烧的产物AlNbO4研磨作为原料备用；
（2）关于铌酸锌（ZnNb2O6）的制备：按照摩尔比1:1称取ZnO和Nb2O5，并混合球磨，烘干后在1100℃～1200℃煅烧2～3小时，将煅烧的产物ZnNb2O6研磨作为原料备用；
（3）按化学计量比称取原料ZrO2,TiO2,AlNbO4和ZnNb2O6,并按5%～10%的过量比称取PbO，将原料混合球磨，球磨完以后烘干，将烘干后的粉料放入研钵中研磨使其混合均匀；
（4）烘干原料压成片状，放入马弗炉中，在1000℃～1100℃空气中预烧2～3小时，研磨得到固溶体原料；
（5）再次使用无水乙醇为介质湿磨，烘干后得到磨细的原料；
（6）将原料干压成型；
（7）成型片1200℃～1300℃空气中烧结2～3小时，得到致密的铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电陶瓷材料。
将烧结后的陶瓷片用磨片机磨至1mm左右，用丝网印刷法在上下表面刷上银浆，在650℃空气中烧银，对烧制电极的陶瓷片测试其XRD、电滞回线和场致应变。
本发明的效果在于：这是一种新型多元压电陶瓷材料，与铌锌酸铅-锆钛酸铅体系相比，具有高电致应变的优点。
附图说明
图1为实施例1～5制备的高电致应变的铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电材料的XRD图（20～70°）。
图2为实施例1制备的高电致应变的铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电材料室温下的电滞回线和场致应变。
图3为实施例2制备的高电致应变的铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电材料室温下的电滞回线和场致应变。
图4为实施例5制备的高电致应变的铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电材料室温下的电滞回线和场致应变。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。
实施例1（0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr0.52Ti0.48)O3）
按照摩尔比1:1称取ZnO和Nb2O5，并混合球磨，烘干后在1200℃煅烧2小时，将煅烧的产物ZnNb2O6研磨作为原料备用。
按化学计量比称取原料ZrO2,TiO2和ZnNb2O6,并按5%～10%的过量比称取PbO，使用无水乙醇为介质，利用行星磨湿磨12小时，烘干。将烘干后的粉料放入研钵中研磨10分钟使其混合均匀。
将混合均匀的原料压成片状，放入马弗炉中，在1050℃空气中预烧2小时，研磨得到固溶体原料。
使用无水乙醇为介质进行二次湿磨，时间6小时，烘干后得到磨细的原料，加入质量为粉末质量4%的PVA，充分混合，利用干压法成型。
将成型片在1220℃空气下烧结2小时，得到致密的PZN-PZT陶瓷片，将烧结后的陶瓷片用磨片机磨至1mm左右，用丝网印刷法在上下表面刷上银浆，在650℃空气中烧银。
对制备电极的陶瓷片测试其电滞回线和场致应变。
实施例2
本实施例与实施例1各步骤基本相同，不同之处在于：
本实施例除了要合成ZnNb2O6之外，还要合成铌酸铝（AlNbO4），其制备方法：按照摩尔比1:1称取Nb2O5和Al2O3，并充分混合球磨均匀，烘干后在1220℃煅烧2小时，将煅烧的产物AlNbO4研磨作为原料备用。
本实施例是按照化学式
0.02Pb(Al0.5Nb0.5)O3-0.18Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr0.52Ti0.48)O3进行配比。
实施例3
本实施例与实施例2各步骤基本相同，不同之处在于：本实施例是按照化学式0.05Pb(Al0.5Nb0.5)O3-0.15Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr0.52Ti0.48)O3进行配比。
实施例4
本实施例与实施例2各步骤基本相同，不同之处在于：本实施例是按照化学式0.08Pb(Al0.5Nb0.5)O3-0.12Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr0.52Ti0.48)O3进行配比。
实施例5
本实施例与实施例2各步骤基本相同，不同之处在于：本实施例是按照化学式0.1Pb(Al0.5Nb0.5)O3-0.1Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr0.52Ti0.48)O3进行配比。
由图1可知，实施例1～5所制备的材料具有纯的钙钛矿结构，且无明显原料相及非目标生成物相。
由图2可知，实施例1所制备的材料，其等效压电系数为480pm/V。
由图3可知，实施例2所制备的材料，其等效压电系数为502pm/V。
由图4可知，实施例5所制备的材料，其等效压电系数为767pm/V。
本发明中的含铅压电体系，室温下，在3kv/mm的电场下可获得～0.24%的应变量，等效压电系数高达767pm/V，在高应变驱动器中具有重要的应用前景。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的原理下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电陶瓷,其特征在于:所述的铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电陶瓷的组成成分为(xPb(Al0.5Nb0.5)O3-(0.2-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr0.52Ti0.48)O3),其中0<x<0.20。
2.权利要求1所述的铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电陶瓷的制备方法,其特征在于:采用三步烧结法,具体的制备方法如下:
(1)关于铌酸铝(AlNbO4)的制备：按照摩尔比1:1称取Nb2O5和Al2O3，并充分混合球磨均匀，烘干后在1100℃～1200℃煅烧2～3小时，将煅烧的产物AlNbO4研磨作为原料备用；
(2)关于铌酸锌(ZnNb2O6)的制备：按照摩尔比1:1称取ZnO和Nb2O5，并混合球磨，烘干后在1100℃～1200℃煅烧2～3小时，将煅烧的产物ZnNb2O6研磨作为原料备用；
(3)按化学计量比称取原料ZrO2,TiO2,AlNbO4和ZnNb2O6,并按5％～10％的过量比称取PbO，将原料混合球磨，球磨完以后烘干，将烘干后的粉料放入研钵中研磨使其混合均匀；
(4)烘干原料压成片状，放入马弗炉中，在1000℃～1100℃空气中预烧2～3小时，研磨得到固溶体原料；
(5)再次使用无水乙醇为介质湿磨，烘干后得到磨细的原料；
(6)将原料干压成型；
(7)成型片1200℃～1300℃空气中烧结2～3小时，得到致密的铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电陶瓷材料。
3.权利要求1所述的铌锌酸铅-锆钛酸铅基压电陶瓷应用于驱动器领域。
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