CN103964846B - 压电双晶片用压电陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

压电双晶片用压电陶瓷材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压电双晶片用压电陶瓷材料及其制备方法，该材料组成为Pb1-p-qSrpBaq(Mg1/3Nb2/3)m(Ni1/3Nb2/3)n(Zn1/3Nb2/3)0.3-m-nZrxTiyO3+awt%Nb2O5+bwt%Li2CO3，p+q=0～0.12，m=0～0.2，n=0～0.05，x+y=0.7，x=0.3～0.4，a=0.1～0.3，b=0.1～0.3。本发明d33≥700pc/N，Kp≥60%，ε33/ε0≥5000，Tc≥200℃，是一种五元系压电陶瓷体系，不仅烧结温度低，居里温度高，而且压电和介电性能更好，机电耦合系数更高，且制备工艺简单，特别适用于贾卡导纱针上使用。

Description

压电双晶片用压电陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种压电陶瓷材料及其制备方法，尤其是涉及压电双晶片所使用的压电陶瓷材料及其制备方法，属于电子材料及元器件技术领域。
背景技术
压电陶瓷材料具有压电效应，是一种具有将机械能和电能相互转换功能的陶瓷材料，可以在外电场的作用下发生机械变形。压电陶瓷材料具有独特的压电性能、优异的机电耦合性能、介电性能和弹性性能，因其制备工艺较为简单，体积小，不受电磁干扰，成本低等特点，在航天、信息、生物、精密仪器等高新技术领域及工业生产中都得到了广泛的应用。
不同器件的应用对压电陶瓷材料的性能要求也不同，经编机上贾卡导纱针所使用的压电双晶片要求在一定的工作电压下能产生较大的位移和较小的热量，因此要求压电陶瓷片具有更高的压电性能、介电性能和机电耦合系数。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种烧结温度低，居里温度高，并且具有更好的压电性能、介电性能以及更高的机电耦合系数，能更好地满足大位移、小热量工作要求的压电双晶片用压电陶瓷材料。本发明还提供一种压电双晶片用压电陶瓷材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用这样一种压电双晶片用压电陶瓷材料，该压电陶瓷材料的材料组成为：
Pb1-p-qSrpBaq(Mg1/3Nb2/3)m(Ni1/3Nb2/3)n(Zn1/3Nb2/3)0.3-m-nZrxTiyO3+awt%Nb2O5+bwt%Li2CO3，其中，p+q=0～0.12，m=0～0.2，n=0～0.05，x+y=0.7，x=0.3～0.4，a=0.1～0.3，b=0.1～0.3。
作为本发明的一种优选实施例，该压电陶瓷材料的材料组成为：Pb0.90Sr0.05Ba0.05(Mg1/3Nb2/3)0.05(Ni1/3Nb2/3)0.05(Zn1/3Nb2/3)0.20Zr0.33Ti0.37O3+0.2wt%Nb2O5+0.2wt%Li2CO3。
一种制备所述压电双晶片用压电陶瓷材料的方法，包括以下步骤：
（1）将3(MgCO3)·Mg(OH)2·3H2O与Nb2O5按化学计量比在球磨机内混合，在1050～1150℃的温度下预烧4～6h合成MgNb2O6；将NiCO3与Nb2O5按化学计量比在球磨机内混合，在1050～1150℃的温度下预烧4～6h合成NiNb2O6，将合成的MgNb2O6和NiNb2O6粉碎、球磨细化；
（2）按照所述压电双晶片用压电陶瓷材料的材料组成计算并称取Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、ZnO、BaCO3、SrCO3及合成的MgNb2O6、NiNb2O6粉料进行混合后制得混合粉料，采用去离子水和锆球作为介质，按照混合粉料︰锆球︰去离子水=1︰1︰（0.7～0.8）的比例混合，经球磨细化11～13h后放入烘箱烘干；
（3）将所述烘干的混合粉料预压成块体，然后置于密封的氧化铝坩埚中，加热至850～900℃保温1～3h进行合成；
（4）将所述合成的混合粉料预压块体粉碎并加入预压块体总质量1～3%的Li2CO3后球磨、烘干，然后加入5wt%的聚乙烯醇水溶液进行造粒、过筛后，在400Mpa压强作用下压制成坯体，将所述坯体叠层置于马弗炉中，缓慢加热到700～800℃后保温1h排胶；
（5）将所述排胶后的坯体放入密封坩埚中，采用所述混合粉料作埋料进行铅气氛保护埋烧，在1050～1150℃的温度下保温1～3h后烧结成陶瓷；
（6）将所述烧结成的陶瓷打磨减薄至0.3～1mm，采用丝网印刷工艺在陶瓷上下两面印制银浆，在800～850℃的温度下保温5min烧银；
（7）将烧银后的陶瓷置于80℃硅油中，施加3KV/mm直流电场进行极化，极化时间为30min，放电后静置24h，即制得所述压电双晶片用压电陶瓷材料。
作为本发明的一种优选实施方式，在步骤1中，所述的3(MgCO3)·Mg(OH)2·3H2O与Nb2O5的化学计量比为摩尔百分比，3(MgCO3)·Mg(OH)2·3H2O︰Nb2O5=1︰4，所述的NiCO3与Nb2O5的化学计量比为摩尔百分比，NiCO3︰Nb2O5=1︰1。
本发明的有益效果是：压电陶瓷的压电常数d33≥700pc/N，机电耦合系数Kp≥60%，介电常数ε33/ε0≥5000，居里温度Tc≥200℃，本发明的配方开辟了一种新的五元系压电陶瓷体系，不仅烧结温度低，居里温度高，而且具有更好的压电性能、介电性能以及更高的机电耦合系数，能更好地满足大位移、小热量的工作要求，并且制备操作工艺简单，成本较低，能满足工业化推广和应用要求，具有良好的商业价值。本发明尤其适用于经编机的贾卡导纱针上使用。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
一种压电双晶片用压电陶瓷材料，该压电陶瓷材料的材料组成为：
Pb1-p-qSrpBaq(Mg1/3Nb2/3)m(Ni1/3Nb2/3)n(Zn1/3Nb2/3)0.3-m-nZrxTiyO3+awt%Nb2O5+bwt%Li2CO3，其中，p+q=0～0.12，m=0～0.2，n=0～0.05，x+y=0.7，x=0.3～0.4，a=0.1～0.3，b=0.1～0.3。
作为本发明的一种优选实施例，该压电陶瓷材料的材料组成为：Pb0.90Sr0.05Ba0.05(Mg1/3Nb2/3)0.05(Ni1/3Nb2/3)0.05(Zn1/3Nb2/3)0.20Zr0.33Ti0.37O3+0.2wt%Nb2O5+0.2wt%Li2CO3。
一种制备所述压电双晶片用压电陶瓷材料的方法，包括以下步骤：
（1）将3(MgCO3)·Mg(OH)2·3H2O与Nb2O5按化学计量比在球磨机内混合，在1050～1150℃的温度下预烧4～6h合成MgNb2O6；将NiCO3与Nb2O5按化学计量比在球磨机内混合，在1050～1150℃的温度下预烧4～6h合成NiNb2O6，将合成的MgNb2O6和NiNb2O6粉碎、球磨细化；
（2）按照所述压电双晶片用压电陶瓷材料的材料组成计算并称取Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、ZnO、BaCO3、SrCO3及合成的MgNb2O6、NiNb2O6粉料进行混合后制得混合粉料，采用去离子水和锆球作为介质，按照混合粉料︰锆球︰去离子水=1︰1︰（0.7～0.8）的比例混合，经球磨细化11～13h后放入烘箱烘干；
（3）将所述烘干的混合粉料预压成块体，然后置于密封的氧化铝坩埚中，加热至850～900℃保温1～3h进行合成；
（4）将所述合成的混合粉料预压块体粉碎并加入预压块体总质量1～3%的Li2CO3后球磨、烘干，然后加入5wt%的聚乙烯醇水溶液进行造粒、过筛后，在400Mpa压强作用下压制成坯体，将所述坯体叠层置于马弗炉中，缓慢加热到700～800℃后保温1h排胶；
（5）将所述排胶后的坯体放入密封坩埚中，采用所述混合粉料作埋料进行铅气氛保护埋烧，在1050～1150℃的温度下保温1～3h后烧结成陶瓷；
（6）将所述烧结成的陶瓷打磨减薄至0.3～1mm，采用丝网印刷工艺在陶瓷上下两面印制银浆，在800～850℃的温度下保温5min烧银；
（7）将烧银后的陶瓷置于80℃硅油中，施加3KV/mm直流电场进行极化，极化时间为30min，放电后静置24h，即制得所述压电双晶片用压电陶瓷材料。
作为本发明的一种优选实施方式，在步骤1中，所述的3(MgCO3)·Mg(OH)2·3H2O与Nb2O5的化学计量比为摩尔百分比，3(MgCO3)·Mg(OH)2·3H2O︰Nb2O5=1︰4，所述的NiCO3与Nb2O5的化学计量比为摩尔百分比，NiCO3︰Nb2O5=1︰1。
以下将通过具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
将工业纯的3(MgCO3)·Mg(OH)2·3H2O与工业纯的Nb2O5按摩尔百分比1︰4在球磨机内混合，在1050℃的温度下预烧4h合成MgNb2O6，然后粉碎、球磨细化；将工业纯的NiCO3与工业纯的Nb2O5按摩尔百分比1︰1在球磨机内混合，在1050℃的温度下预烧4h合成NiNb2O6，然后粉碎、球磨细化。按照：
Pb0.96Sr0.02Ba0.02(Mg1/3Nb2/3)0.05(Ni1/3Nb2/3)0.01(Zn1/3Nb2/3)0.24Zr0.34Ti0.36O3+0.1wt%Nb2O5+0.3wt%Li2CO3的材料组成计算并分别称取工业纯的Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、ZnO、BaCO3、SrCO3及合成的MgNb2O6、NiNb2O6粉料，其中Pb3O4粉料优选过量3%，将上述各粉料混合后制得混合粉料，采用去离子水和锆球作为介质，按照混合粉料︰锆球︰去离子水=1︰1︰0.7的比例混合，经球磨机球磨细化11h后装入容器放进烘箱，在80℃温度下烘干。将所述烘干的混合粉料预压成块体，然后将块体置于密封的氧化铝坩埚中，加热至850℃保温1h进行合成。将所述合成的混合粉料预压块体粉碎并加入预压块体总质量1%的Li2CO3后球磨、烘干，然后加入5wt%的聚乙烯醇水溶液进行造粒、过筛后，在400Mpa压强作用下压制成坯体，将所述坯体叠层置于马弗炉中，缓慢加热到700℃后保温1h排胶。将所述排胶后的坯体放入密封坩埚中，采用所述混合粉料作埋料进行铅气氛保护埋烧，在1050℃的温度下保温1h后烧结成陶瓷。将所述烧结成的陶瓷打磨减薄至0.3mm，采用丝网印刷工艺在陶瓷上下两面印制银浆，在800℃的温度下保温5min烧银。将烧银后的陶瓷置于80℃硅油中，施加3KV/mm直流电场进行极化，极化时间为30min，放电后静置24h，即制得压电双晶片用压电陶瓷材料，该陶瓷材料的主要性能为d33=720pc/N，Kp=60%，ε33/ε0=5520，tanθ=0.02，Tc=220℃。
实施例2
将工业纯的3(MgCO3)·Mg(OH)2·3H2O与工业纯的Nb2O5按摩尔百分比1︰3在球磨机内混合，在1150℃的温度下预烧6h合成MgNb2O6，然后粉碎、球磨细化；将工业纯的NiCO3与工业纯的Nb2O5按摩尔百分比1︰1.5在球磨机内混合，在1150℃的温度下预烧6h合成NiNb2O6，然后粉碎、球磨细化。按照：
Pb0.88Sr0.08Ba0.04(Mg1/3Nb2/3)0.10(Ni1/3Nb2/3)0.03(Zn1/3Nb2/3)0.17Zr0.32Ti0.38O3+0.3wt%Nb2O5+0.1wt%Li2CO3的材料组成计算并分别称取工业纯的Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、ZnO、BaCO3、SrCO3及合成的MgNb2O6、NiNb2O6粉料，其中Pb3O4粉料优选过量3%，将上述各粉料混合后制得混合粉料，采用去离子水和锆球作为介质，按照混合粉料︰锆球︰去离子水=1︰1︰0.8的比例混合，经球磨机球磨细化13h后装入容器放进烘箱，在80℃温度下烘干。将所述烘干的混合粉料预压成块体，然后将块体置于密封的氧化铝坩埚中，加热至900℃保温3h进行合成。将所述合成的混合粉料预压块体粉碎并加入预压块体总质量3%的Li2CO3后球磨、烘干，然后加入5wt%的聚乙烯醇水溶液进行造粒、过筛后，在400Mpa压强作用下压制成坯体，将所述坯体叠层置于马弗炉中，缓慢加热到800℃后保温1h排胶。将所述排胶后的坯体放入密封坩埚中，采用所述混合粉料作埋料进行铅气氛保护埋烧，在1150℃的温度下保温3h后烧结成陶瓷。将所述烧结成的陶瓷打磨减薄至1mm，采用丝网印刷工艺在陶瓷上下两面印制银浆，在850℃的温度下保温5min烧银。将烧银后的陶瓷置于80℃硅油中，施加3KV/mm直流电场进行极化，极化时间为30min，放电后静置24h，即制得压电双晶片用压电陶瓷材料，该陶瓷材料的主要性能为d33=760pc/N，Kp=65%，ε33/ε0=5750，tanθ=0.02，Tc=210℃。
实施例3
将工业纯的3(MgCO3)·Mg(OH)2·3H2O与工业纯的Nb2O5按摩尔百分比1︰5在球磨机内混合，在1120℃的温度下预烧5h合成MgNb2O6，然后粉碎、球磨细化；将工业纯的NiCO3与工业纯的Nb2O5按摩尔百分比1︰1在球磨机内混合，在1120℃的温度下预烧5h合成NiNb2O6，然后粉碎、球磨细化。按照：
Pb0.92Sr0.04Ba0.04(Mg1/3Nb2/3)0.20(Ni1/3Nb2/3)0.05(Zn1/3Nb2/3)0.05Zr0.38Ti0.32O3+0.1wt%Nb2O5+0.3wt%Li2CO3的材料组成计算并分别称取工业纯的Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、ZnO、BaCO3、SrCO3及合成的MgNb2O6、NiNb2O6粉料，其中Pb3O4粉料优选过量3%，将上述各粉料混合后制得混合粉料，采用去离子水和锆球作为介质，按照混合粉料︰锆球︰去离子水=1︰1︰0.7的比例混合，经球磨机球磨细化12h后装入容器放进烘箱，在80℃温度下烘干。将所述烘干的混合粉料预压成块体，然后将块体置于密封的氧化铝坩埚中，加热至870℃保温2h进行合成。将所述合成的混合粉料预压块体粉碎并加入预压块体总质量2%的Li2CO3后球磨、烘干，然后加入5wt%的聚乙烯醇水溶液进行造粒、过筛后，在400Mpa压强作用下压制成坯体，将所述坯体叠层置于马弗炉中，缓慢加热到730℃后保温1h排胶。将所述排胶后的坯体放入密封坩埚中，采用所述混合粉料作埋料进行铅气氛保护埋烧，在1080℃的温度下保温3h后烧结成陶瓷。将所述烧结成的陶瓷打磨减薄至0.6mm，采用丝网印刷工艺在陶瓷上下两面印制银浆，在830℃的温度下保温5min烧银。将烧银后的陶瓷置于80℃硅油中，施加3KV/mm直流电场进行极化，极化时间为30min，放电后静置24h，即制得压电双晶片用压电陶瓷材料，该陶瓷材料的主要性能为d33=730pc/N，Kp=62%，ε33/ε0=6150，tanθ=0.02，Tc=200℃。
实施例4
将工业纯的3(MgCO3)·Mg(OH)2·3H2O与工业纯的Nb2O5按摩尔百分比1︰4在球磨机内混合，在1100℃的温度下预烧5h合成MgNb2O6，然后粉碎、球磨细化；将工业纯的NiCO3与工业纯的Nb2O5按摩尔百分比1︰1在球磨机内混合，在1100℃的温度下预烧5h合成NiNb2O6，然后粉碎、球磨细化。按照：
Pb0.90Sr0.05Ba0.05(Mg1/3Nb2/3)0.05(Ni1/3Nb2/3)0.05(Zn1/3Nb2/3)0.20Zr0.33Ti0.37O3+0.2wt%Nb2O5+0.2wt%Li2CO3的材料组成计算并分别称取工业纯的Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、ZnO、BaCO3、SrCO3及合成的MgNb2O6、NiNb2O6粉料，其中Pb3O4粉料优选过量3%，将上述各粉料混合后制得混合粉料，采用去离子水和锆球作为介质，按照混合粉料︰锆球︰去离子水=1︰1︰0.8的比例混合，经球磨机球磨细化12h后装入容器放进烘箱，在80℃温度下烘干。将所述烘干的混合粉料预压成块体，然后将块体置于密封的氧化铝坩埚中，加热至900℃保温2h进行合成。将所述合成的混合粉料预压块体粉碎并加入预压块体总质量2%的Li2CO3后球磨、烘干，然后加入5wt%的聚乙烯醇水溶液进行造粒、过筛后，在400Mpa压强作用下压制成坯体，将所述坯体叠层置于马弗炉中，缓慢加热到750℃后保温1h排胶。将所述排胶后的坯体放入密封坩埚中，采用所述混合粉料作埋料进行铅气氛保护埋烧，在1100℃的温度下保温2h后烧结成陶瓷。将所述烧结成的陶瓷打磨减薄至0.5mm，采用丝网印刷工艺在陶瓷上下两面印制银浆，在830℃的温度下保温5min烧银。将烧银后的陶瓷置于80℃硅油中，施加3KV/mm直流电场进行极化，极化时间为30min，放电后静置24h，即制得压电双晶片用压电陶瓷材料，该陶瓷材料的主要性能为d33=700pc/N，Kp=61%，ε33/ε0=6300，tanθ=0.02，Tc=200℃。

Claims (4)

1.一种压电双晶片用压电陶瓷材料，其特征在于，该压电陶瓷材料的材料组成为：
Pb1-p-qSrpBaq(Mg1/3Nb2/3)m(Ni1/3Nb2/3)n(Zn1/3Nb2/3)0.3-m-nZrxTiyO3+awt%Nb2O5+bwt%Li2CO3，其中，p+q=0～0.12，m=0～0.2，n=0～0.05，x+y=0.7，x=0.3～0.4，a=0.1～0.3，b=1～3，所述p、q、m、n均不可等于0。
2.根据权利要求1所述的压电双晶片用压电陶瓷材料，其特征在于，该压电陶瓷材料的材料组成为：
Pb0.90Sr0.05Ba0.05(Mg1/3Nb2/3)0.05(Ni1/3Nb2/3)0.05(Zn1/3Nb2/3)0.20Zr0.33Ti0.37O3+0.2wt%Nb2O5+2wt%Li2CO3。
3.一种制备权利要求1所述的压电双晶片用压电陶瓷材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将3(MgCO3)·Mg(OH)2·3H2O与Nb2O5按化学计量比在球磨机内混合，在1050～1150℃的温度下预烧4～6h合成MgNb2O6；将NiCO3与Nb2O5按化学计量比在球磨机内混合，在1050～1150℃的温度下预烧4～6h合成NiNb2O6，将合成的MgNb2O6和NiNb2O6粉碎、球磨细化；
（2）按照所述压电双晶片用压电陶瓷材料的材料组成计算并称取Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、ZnO、BaCO3、SrCO3及合成的MgNb2O6、NiNb2O6粉料进行混合后制得混合粉料，采用去离子水和锆球作为介质，按照混合粉料︰锆球︰去离子水=1︰1︰（0.7～0.8）的比例混合，经球磨细化11～13h后放入烘箱烘干；
（3）将所述烘干的混合粉料预压成块体，然后置于密封的氧化铝坩埚中，加热至850～900℃保温1～3h进行合成；
（4）将所述合成的混合粉料预压块体粉碎并加入预压块体总质量1～3%的Li2CO3后球磨、烘干，然后加入5wt%的聚乙烯醇水溶液进行造粒、过筛后，在400Mpa压强作用下压制成坯体，将所述坯体叠层置于马弗炉中，缓慢加热到700～800℃后保温1h排胶；
（5）将所述排胶后的坯体放入密封坩埚中，采用所述混合粉料作埋料进行铅气氛保护埋烧，在1050～1150℃的温度下保温1～3h后烧结成陶瓷；
（6）将所述烧结成的陶瓷打磨减薄至0.3～1mm，采用丝网印刷工艺在陶瓷上下两面印制银浆，在800～850℃的温度下保温5min烧银；
（7）将烧银后的陶瓷置于80℃硅油中，施加3KV/mm直流电场进行极化，极化时间为30min，放电后静置24h，即制得所述压电双晶片用压电陶瓷材料。
4.根据权利要求3所述的压电双晶片用压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：在步骤1中，所述的3(MgCO3)·Mg(OH)2·3H2O与Nb2O5的化学计量比为摩尔百分比，3(MgCO3)·Mg(OH)2·3H2O︰Nb2O5=1︰4，所述的NiCO3与Nb2O5的化学计量比为摩尔百分比，NiCO3︰Nb2O5=1︰1。
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