CN103724013A - 一种a位复合取代高压电常数的压电陶瓷材料及制备方法 - Google Patents

一种a位复合取代高压电常数的压电陶瓷材料及制备方法 Download PDF

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冯小东
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Abstract

本发明提供一种A位复合取代高压电常数的压电陶瓷材料，其特征在于：材料的组成为Pb1-e-f-BaeLaf(Ni1/3Nb2/3)x(Zn1/3Nb2/3)yZrmTinO3＋awt％Al2O3+bwt％Sb2O3+cwt％Fe2O3+dwt％Bi2O3，式中：0.04≤e+f≤0.2，0.05≤x+y≤0.3，且x+y+m+n＝1，a＝0～0.5，b＝0～0.5，c＝0～0.5，d＝0～0.5，这种压电陶瓷材料的制备方法，包括配料、混料、预烧合成、粉碎细磨、成型、排胶烧结、上电极极化等，这种材料通过A位复合取代，辅之以适当的掺杂配合，使压电常数能够大幅提高，具有相对介电常数εT 33/ε0、压电常数d33和d31高的特点，其机电耦合系数Kp=0.6～0.75，机械品质因数Qm＜50，本发明的材料可应用于多种压电传感器和执行器。

Description

一种A位复合取代高压电常数的压电陶瓷材料及制备方法
技术领域
本发明涉及压电陶瓷及其制备工艺领域，特别涉及一种A位复合取代高压电常数的压电陶瓷材料及制备方法。
背景技术
随着科技的发展，压电陶瓷已广泛应用于日常消费、汽车工业、通讯设备、医疗器械、工业机械、仪器仪表、光学与光电子、新型能源、智能精密机械等领域、近年来特别是作为传感器和执行器的器件在这些领域的应用增长较快，对高性能压电陶瓷材料的需求也更大，尤其对高压电常数的陶瓷材料需求尤为迫切，这类材料用于各种高灵敏度的发射及接收器（如高性能B超成像用换能器）、双压电晶片执行器（如纺织机械用压电贾卡）、多层压电执行器（如智能精密光学执行器）等器件，这些器件又形成相应的系统应用于以上领域，促进了这些领域经济的发展，也带动了压电陶瓷行业的经济发展。
专利号为CN2009100459098文献报道了一种高压电常数d33和d31、低压电常数g31的压电陶瓷材料，但这种材料需在特制的坩锅里进行通氧烧结才能达到好的性能，不太适合量产要求，同时制作成本也相应提高了。国内外也有主成分为铌锌铌镍锆钛酸铅压电陶瓷材料的报道，但压电常数指标都不高，无法满足高性能材料指标的要求。
发明内容
本发明的目的就是为克服上述背景技术的不足，提供了一种运用A位复合取代方式的高压电常数的压电陶瓷材料，这种材料便于制作，适合大规模生产,其特征在于：材料的组成为：Pb1-e-fBaeLaf(Ni1/3Nb2/3)x(Zn1/3Nb2/3)yZrmTinO3＋awt％Al2O3+bwt％Sb2O3+cwt％Fe2O3+dwt％Bi2O3，式中：0.04≤e+f≤0.2，0.05≤x+y≤0.3，且x+y+m+n＝1，a＝0～0.5，b＝0～0.5，c＝0～0.5，d＝0～0.5。
本发明的优选方案的材料组成为：Pb1-e-fBaeLaf(Ni1/3Nb2/3)x(Zn1/3Nb2/3)yZrmTinO3＋awt％Al2O3+bwt％Sb2O3+cwt％Fe2O3+dwt％Bi2O3，式中：e=0.06, f=0.06，x+y=0.2~0.24，m+n＝0.76~0.8，且x+y+m+n＝1，a＝0.02~0.05，b＝0.1～0.3，c＝0.05～0.1，d＝0.3～0.4。
本发明A位复合取代高压电常数的压电陶瓷材料的制备方法，包括配料、混料、预烧合成、粉碎细磨、成型、排胶烧结、上电极极化等，其特征在于：采用包括如下工艺步骤方法：
按主要成分的化学式计算配料称量，原料为Pb3O4、BaCO3、ZrO2、TiO2、NiO、Nb2O5、La2O3、Al2O3、Sb2O3、Fe2O3、Bi2O3混料按照原料：玛瑙球：去离子水＝1：1～1.5：0.8～1.5的比例在行星球磨机中混料2～5h，烘干。
将混合后的原料放入坩锅中在850～1000℃的温度条件下预烧合成2～4h，粉碎后细磨按照原料：玛瑙球：去离子水＝1：1～1.5：0.8～1.5的比例在行星球磨机中磨4～10h，烘干。
将粉末进行流延后叠层等静压成型或造粒干压成型，流延粘结剂为10～20wt％的PVB，叠层等静压成型压力为25～40MPa，造粒粘结剂重量比为6～10wt％的PVA，干压成型压力100～200MPa，再经排胶后烧结得到陶瓷体，烧结温度为1250℃～1350℃，保温1～3h。
将烧结后的陶瓷体磨平面后进行丝网印刷银浆，再烧银后极化，烧银温度为750～810℃，保温时间10～15min，极化温度为80～150℃，电场2～4Kv/mm，时间为10～15min，极化后放置24h，即可得到所述压电陶瓷。
对主成分A位用Ba对Pb进行适当范围的取代，可以提高压电常数等压电指标，由于钡离子半径与铅离子半径相近（Ba2+半径为135pm，Pb2+半径为119pm），化学价与铅原子相同，Ba2+进入晶格后将取代A位的Pb2+，钡离子取代铅离子后，将使晶体中产生晶格畸变，使晶胞体积增大（a轴和c轴都略有伸长），一般说来，一个取代离子可以引起附近几十个晶胞发生畸变，这样有利于极化时电畴的定向排列，特别是作90°转向非常困难的电畴也变得转向容易，因此取代后这种适度的晶格畸变，可使材料的压电性得到充分发挥，促使压电材料性能提高。
对主成分A位用La进行一定范围的取代，同样可以提高压电常数等压电指标，一方面，由于La的离子半径较钡离子和铅离子半径都大，会使晶体的晶格畸变加剧，提高压电性，另一方面，由于La2O3为软性添加物，La3+取代Pb2+后，根据电中性的要求，样品中会出现铅空位。晶胞出现铅空位后，晶格产生畸变，这样，电畴壁运动比较容易进行，在相当小的电场下或机械力的作用下，就能使畴壁运动，也提高了材料的压电性。
同时进行Ba2+和La3+复合取代Pb2+，将两者进行适当的配比，可以更大范围发挥其增大压电常数的作用，在一定范围内晶格畸变更大，因此压电性能提升更大；同时辅助掺杂Al2O3、Sb2O3、Fe2O3、Bi2O3等，可以抵消二者过量掺杂带来的不利影响，填补一些由于某些畸变过大产生的晶格空穴，可以增大电畴转向产生晶格位移，使微小的晶格形变在宏观上表现更大，压电性又会进一步的提升。
   本发明的优点在于：通过A位复合取代，辅之以适当的掺杂配合，使压电常数能够大幅提高，可以获得相对介电常数εT 33/ε0＝7020，压电常数d33=930，d31=403，机电耦合系数Kp= 0.6～0.75， 机械品质因数Qm＜50的高压电常数压电材料，本发明的陶瓷材料不需要进行通氧烧结等工艺，无需特殊设备和苛刻条件，可以采用传统工艺制作，工艺步骤简单成熟，制作方式可操作性强，能实现大批量规模化生产，产品一致性和工艺重复性好，可用于多种传感器和执行器领域。
附图说明
图1：实施例一样品的SEM微观结构图。
图2：实施例三样品的SEM微观结构图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的描述，但本发明并不限于实施例。
实施例一
以Pb3O4（工业纯）、BaCO3（工业纯）、ZrO2（工业纯）、TiO2（工业纯）、Nb2O5（分析纯）、La2O3（分析纯）、Al2O3（化学纯）为原料，按材料配方组成为Pb0.92Ba0.04La0.04(Ni1/3Nb2/3)0.12(Zn1/3Nb2/3)0.12Zr0.39Ti0.37O3＋0.1wt％Al2O3的化学计量进行配料称量。
混料采用玛瑙球和去离子水作为介质，按照料：球：水＝1：1.5：1.2的比例，将称料后的原料在行星球磨机中混料4h，再出料过筛，分离玛瑙球，然后在120℃的烘箱中干燥充分。
将干燥后的原料放入坩锅中，盖好盖子防止PbO挥发，在900℃~920℃的温度条件下预烧合成3h，将预烧后的块体粉碎，过40目筛，仍以玛瑙球和去离子水作为介质，按照料：球：水＝1：1.5：1.2的比例在行星球磨机中磨8h，再出料过筛，分离玛瑙球，然后在120℃的烘箱中干燥充分。
将粉末进行造粒干压成型，造粒粘结剂重量比为6～7wt％的PVA，干压成型压力为170～180MPa，压制成Φ11×0.9mm的标准片，再经排胶后烧结得到陶瓷体的标准片，烧成升温速度300～350℃/h，烧结温度为1280℃～1300℃，保温1.5h。
将烧结后的陶瓷体标准片磨平，经清洗后进行丝网印刷银浆，再烧银后极化，烧银温度为810℃，保温时间10min，极化温度为80～120℃，电场3Kv/mm，时间为15min，极化后经清洗干燥后放置24h，再进行性能测试。样品的SEM微观结构见图1，压电性能见表1。
表1：实施例一压电陶瓷性能参数表
参数 d33 d31 εT 33/ε0 Kp Qm
数值 709 -316 5657 0.69 45
实施例二
以Pb3O4（工业纯）、BaCO3（工业纯）、ZrO2（工业纯）、TiO2（工业纯）、Nb2O5（分析纯）、La2O3（分析纯）、Al2O3（化学纯）、Sb2O3（化学纯）为原料，按材料组成Pb0.90Ba0.06La0.04(Ni1/3Nb2/3)0.12(Zn1/3Nb2/3)0.12Zr0.395Ti0.365O3＋0.1wt％Al2O3+0.3wt％Sb2O3的化学计量进行配料称量。
混料采用玛瑙球和去离子水作为介质，按照料：球：水＝1：1.5：1.2的比例，将称料后的原料在行星球磨机中混料4h，再出料过筛，分离玛瑙球，然后在120℃的烘箱中干燥充分。
将干燥后的原料放入坩锅中，盖好盖子防止PbO挥发，在920℃~950℃的温度条件下预烧合成3h，将预烧后的块体粉碎，过40目筛，仍以玛瑙球和去离子水作为介质，按照料：球：水＝1：1.5：1.2的比例在行星球磨机中磨8h，再出料过筛，分离玛瑙球，然后在120℃的烘箱中干燥充分。
将粉末进行造粒干压成型，造粒粘结剂重量比为6～7wt％的PVA，干压成型压力为170～180MPa，压制成Φ11×0.9mm的标准片，再经排胶后烧结得到陶瓷体的标准片，烧成升温速度300～350℃/h，烧结温度为1270℃～1290℃，保温2h。
将烧结后的陶瓷体标准片磨平，经清洗后进行丝网印刷银浆，再烧银后极化，烧银温度为810℃，保温时间10min，极化温度为80～120℃，电场3Kv/mm，时间为15min，极化后经清洗干燥后放置24h，再进行性能测试。样品的压电性能见表2。
    表2：实施例二压电陶瓷性能参数表
参数 d33 d31 εT 33/ε0 Kp Qm
数值 823 -352 6013 0.66 46
实施例三
以Pb3O4（工业纯）、BaCO3（工业纯）、ZrO2（工业纯）、TiO2（工业纯）、Nb2O5（分析纯）、La2O3（分析纯）、Al2O3（化学纯）、Sb2O3（化学纯）、Fe2O3（分析纯）、Bi2O3（分析纯）为原料，按材料配方组成为Pb0.88Ba0.06La0.06(Ni1/3Nb2/3)0.12(Zn1/3Nb2/3)0.12Zr0.40Ti0.36O3＋0.15wt％Al2O3+0.35wt％Sb2O3+0.35wt％Fe2O3+0.5wt％Bi2O3的化学计量进行配料称量。
混料采用玛瑙球和去离子水作为介质，按照料：球：水＝1：1.5：1.2的比例，将称料后的原料在行星球磨机中混料4h，再出料过筛，分离玛瑙球，然后在120℃的烘箱中干燥充分。
将干燥后的原料放入坩锅中，盖好盖子防止PbO挥发，在960℃~980℃的温度条件下预烧合成3h，将预烧后的块体粉碎，过40目筛，仍以玛瑙球和去离子水作为介质，按照料：球：水＝1：1.5：1.2的比例在行星球磨机中磨9h，再出料过筛，分离玛瑙球，然后在120℃的烘箱中干燥充分。
将粉末进行造粒干压成型，造粒粘结剂重量比为6～7wt％的PVA，干压成型压力为170～180MPa，压制成Φ11×0.9mm的标准片，再经排胶后烧结得到陶瓷体的标准片，烧成升温速度300～350℃/h，烧结温度为1270℃～1300℃，保温2h。
将烧结后的陶瓷体标准片磨平，经清洗后进行丝网印刷银浆，再烧银后极化，烧银温度为810℃，保温时间10min，极化温度为80～120℃，电场3Kv/mm，时间为15min，极化后经清洗干燥后放置24h，再进行性能测试。样品的SEM微观结构见图2，压电性能见表3。
表3：实施例三压电陶瓷性能参数表
参数 d33 d31 εT 33/ε0 Kp Qm
数值 930 -403 7020 0.62 43
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解发明技术方案的原理，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式及应用范围上均有改变之处，因此本说明书实施例的内容不应理解为对本发明的限制。
本发明的材料制作的压电陶瓷压电常数d33和d31和介电常数均大，用于传感器灵敏度高，用于执行器领域形变大，反应迅速，具有良好的应用前景。

Claims (3)

1.一种A位复合取代高压电常数的压电陶瓷材料,其特征在于：材料的组成为Pb1-e-f-BaeLaf(Ni1/3Nb2/3)x(Zn1/3Nb2/3)yZrmTinO3＋awt％Al2O3+bwt％Sb2O3+cwt％Fe2O3+dwt％Bi2O3，式中：0.04≤e+f≤0.2，0.05≤x+y≤0.3，且x+y+m+n＝1，a＝0～0.5，b＝0～0.5，c＝0～0.5，d＝0～0.5。
2.一种权利要求1所述的A位复合取代高压电常数的压电陶瓷材料, 其特征在于：材料的组成为Pb1-e-f-BaeLaf(Ni1/3Nb2/3)x(Zn1/3Nb2/3)yZrmTinO3＋awt％Al2O3+bwt％Sb2O3+cwt％Fe2O3+dwt％Bi2O3，式中：e=0.06, f=0.06，x+y=0.2~0.24，m+n＝0.76~0.8，且x+y+m+n＝1，a＝0.02~0.05，b＝0.1～0.3，c＝0.05～0.1，d＝0.3～0.4。
3.一种权利要求1所述的A位复合取代高压电常数的压电陶瓷材料的制备方法，包括配料、混料、预烧合成、粉碎细磨、成型、排胶烧结、上电极极化等，其特征在于：采用包括如下工艺步骤方法：
按主要成分的化学式配料，原料为Pb3O4、BaCO3、ZrO2、TiO2、NiO、Nb2O5、La2O3、Al2O3、Sb2O3、Fe2O3、混料按照原料：玛瑙球：去离子水＝1：1～1.5：0.8～1.5的比例在行星球磨机中混料2～5h，烘干；
 将混合后的原料放入坩锅中在850～1000℃的温度条件下预烧合成2～4h， 粉碎后细磨按照原料：玛瑙球：去离子水＝1：1～1.5：0.8～1.5的比例在行星球磨机中磨4～10h，烘干；
将粉末进行流延后叠层等静压成型或造粒干压成型，流延粘结剂为10～20wt％的PVB，叠层等静压成型压力为25～40MPa，造粒粘结剂为6～10wt％的PVA，干压成型压力100～200MPa，再经排胶后烧结得到陶瓷体，烧结温度为1250℃～1350℃，保温1～3h；
将烧结后的陶瓷体磨平面后进行丝网印刷银浆，再烧银后极化，烧银温度为750℃～810℃，保温时间10～15min，极化温度为80～150℃，电场2～4Kv/mm，时间为10～15min，极化后放置24h，即可得到所述压电陶瓷。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109503158A (zh) * 2018-12-17 2019-03-22 贵州振华红云电子有限公司 一种耐温度冲击的压电陶瓷材料及其制备方法
CN115141017A (zh) * 2022-06-24 2022-10-04 国网智能电网研究院有限公司 一种压电陶瓷、gis局部放电检测超声传感器及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101475373A (zh) * 2009-01-22 2009-07-08 中国科学院上海硅酸盐研究所 高压电应变常数d31、低压电电压常数g31压电陶瓷材料及其制备方法
CN102701739A (zh) * 2012-05-29 2012-10-03 无锡中科超声技术有限公司 一种压电材料及其制备方法
CN103467089A (zh) * 2013-09-09 2013-12-25 天津大学 一种铌锌铌镍锆钛酸铅压电陶瓷

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101475373A (zh) * 2009-01-22 2009-07-08 中国科学院上海硅酸盐研究所 高压电应变常数d31、低压电电压常数g31压电陶瓷材料及其制备方法
CN102701739A (zh) * 2012-05-29 2012-10-03 无锡中科超声技术有限公司 一种压电材料及其制备方法
CN103467089A (zh) * 2013-09-09 2013-12-25 天津大学 一种铌锌铌镍锆钛酸铅压电陶瓷

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109503158A (zh) * 2018-12-17 2019-03-22 贵州振华红云电子有限公司 一种耐温度冲击的压电陶瓷材料及其制备方法
CN109503158B (zh) * 2018-12-17 2022-02-15 贵州振华红云电子有限公司 一种耐温度冲击的压电陶瓷材料及其制备方法
CN115141017A (zh) * 2022-06-24 2022-10-04 国网智能电网研究院有限公司 一种压电陶瓷、gis局部放电检测超声传感器及其制备方法

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