CN105084898B - 一种低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料 - Google Patents
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Abstract
一种低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料，本发明涉及一种低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料、制备方法及其应用。本发明要解决现有PIN‑PMN‑PT陶瓷烧结温度高，铅挥发严重引发环境污染、材料性能下降、生产成本高的问题。陶瓷材料的化学通式为xPb(In1/2Nb1/2)O3‑(1‑x‑y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbTiO3‑awt.％CuO。方法：一、固相反应合成MgNb2O6前驱体；二、固相反应合成InNbO4前驱体；三、固相反应合成PIN‑PMN‑PT基体粉体；四、固相合成技术结合流延叠层工艺制备低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷。本发明用于制备大功率压电蜂鸣器和多层压电器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种三元系弛豫铁电陶瓷材料、制备方法及其应用。
背景技术
三元系弛豫铁电材料Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(简称PIN-PMN-PT)以其具有比二元系Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3材料高的相变温度和大的矫顽场在近年来备受材料研究界的广泛关注。该体系在新一代宽温区、大功率压铁电器件开发上具有良好的应用前景。目前大部分研究工作集中在PIN-PMN-PT单晶的制备和表征上。单晶材料具有优异的电学性能，但是其复杂的制备工艺、明显的组分分凝、昂贵的价格和较差的机械性能等缺点使得其应用受限。
压电陶瓷材料制备工艺简单且成本低、性能稳定、易于机械加工，因而被广泛地应用于各类压电器件中。目前，各国学者对三元系PIN-PMN-PT基铁电陶瓷材料的制备、相结构和性能进行了研究报道[Journal of Alloys and Compounds 489(2010)115～118；Journal of the European Ceramic Society 32(2012)433～439；Ferroelectrics 464(2014)130～135；Journal of Materials Science:Materials in Electronics 26(2015)1874-1880等]。在这些报道中，PIN-PMN-PT陶瓷的烧结温度均为1250℃或者更高。如此高的温度会引起材料中氧化铅的严重挥发，导致陶瓷材料组分偏析，使其电性能下降，并且引发环境污染等问题。此外，在实际应用中为了满足使用要求，往往需要将陶瓷材料做成多层结构。在制备多层结构陶瓷材料时需要事先涂覆导电内电极。常用的铜、银等廉价电极材料由于熔点低，在高温(1250℃或者更高)烧结过程中会失效；而若采用耐高温的钯铑内电极由于其价格昂贵无疑会大大增加生产成本，限制生产和使用范围的扩大。因此，降低三元系PIN-PMN-PT弛豫铁电陶瓷的烧结温度就显得十分必要。
有相关文献报道了采用水热法、凝胶溶胶法、共沉淀法等工艺可以实现铅基铁电陶瓷的低温烧结[例如Integrated Ferroelectrics 119(2010)82～88；Journal ofApplied Physics 111(2012)024314；Journal of Inorganic Materials 17(2002)1141～1146等]。但是上述方法存在操作复杂、成本较高、无法大批量生产等问题。因此，探寻简单易实现的低温烧结陶瓷材料及其制备工艺对三元系PIN-PMN-PT铁电陶瓷器件化应用具有非常重要的意义。
发明内容
本发明是要解决现有PIN-PMN-PT陶瓷烧结温度高，铅挥发严重引发铅污染、材料组分偏移、电性能下降、生产成本较高的问题，而提供一种低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料、制备方法及其应用。
一种低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的化学通式为xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3-awt.％CuO，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36，0<a≤2。
一种低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的制备方法是按以下步骤完成的：
一、采用固相反应法合成纯相的MgNb2O6前驱体粉体；
二、采用固相反应法合成纯相的InNbO4前驱体粉体；
三、以PbO、TiO2、步骤一得到的纯相的MgNb2O6前驱体粉体和步骤二得到的纯相的InNbO4前驱体粉体为原料，采用固相反应法合成纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/ 3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36；
四、以CuO和步骤三得到的纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体为原料，采用固相合成制备技术结合流延叠层成型法制备低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料；所述低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的化学通式为xPb(In1/ 2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3-awt.％CuO，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36，0<a≤2。
一种低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料用于制备大功率压电蜂鸣器和多层压电器件。
本发明有益效果：本发明通过添加可以在低温下形成液相的CuO烧结助剂，并结合简单易行的固相合成制备技术，通过流延叠压成型工艺来实现该三元系陶瓷材料的低温烧结并保持高的电学性能。与现有陶瓷材料相比，低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的烧结温度由以往的1250℃降低到950℃，同时使得该材料的居里温度得到了显著提高，可达210℃以上，使其温度稳定性增强，同时，使该材料的高场压电性能得到了明显改善，高场压电系数可达950pC/N以上。该材料体系的制备工艺可有效的抑制铅挥发、降低生产成本，同时优化该体系性能。
附图说明
图1是实施例一制备的低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的XRD图谱；
图2是实施例二制备的低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的断面微观形貌图；
图3是实施例三制备的低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的介电温谱图；
图4是实施例三制备的低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的应变-电场曲线。
具体实施方式
本发明技术方案不限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的化学通式为xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3-awt.％CuO，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36，0<a≤2。
具体实施方式二：本实施方式一种低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的制备方法是按以下步骤完成的：
一、采用固相反应法合成纯相的MgNb2O6前驱体粉体；
二、采用固相反应法合成纯相的InNbO4前驱体粉体；
三、以PbO、TiO2、步骤一得到的纯相的MgNb2O6前驱体粉体和步骤二得到的纯相的InNbO4前驱体粉体为原料，采用固相反应法合成纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/ 3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36；
四、以CuO和步骤三得到的纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体为原料，采用固相合成制备技术结合流延叠层成型法制备低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料；所述低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的化学通式为xPb(In1/ 2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3-awt.％CuO，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36，0<a≤2。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一中采用固相反应法合成纯相的MgNb2O6前驱体粉体具体是按以下步骤进行的：
按化学式为MgNb2O6的配比称取MgO和Nb2O5，将称取的MgO和Nb2O5混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨24h～72h，得到球磨后的湿料A，将球磨后的湿料A置于温度为50℃～100℃的烘箱内烘干，得到干燥块料A，将干燥块料A置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料A，然后将粉料A置于有盖氧化铝坩埚中，在温度为1000℃～1150℃下预烧2h～6h，得到纯相的MgNb2O6前驱体粉体。其他与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：步骤二中采用固相反应法合成纯相的InNbO4前驱体粉体具体是按以下步骤进行的：
按化学式为InNbO4的配比称取In2O3和Nb2O5，将称取的In2O3和Nb2O5混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨24h～72h，得到球磨后的湿料B，将球磨后的湿料B置于温度为50℃～100℃的烘箱内烘干，得到干燥块料B，将干燥块料B置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料B，然后将粉料B置于有盖氧化铝坩埚中，在温度为1050℃～1150℃下预烧2h～6h，得到纯相的InNbO4前驱体粉体。其他与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：步骤三中以PbO、TiO2、步骤一得到的纯相的MgNb2O6前驱体粉体和步骤二得到的纯相的InNbO4前驱体粉体为原料，采用固相反应法合成纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体具体是按以下步骤进行的：
按化学通式为xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3配比称取纯相的MgNb2O6前驱体粉体、纯相的InNbO4前驱体粉体、PbO和TiO2，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36，然后将称取的纯相的MgNb2O6前驱体粉体、纯相的InNbO4前驱体粉体、PbO和TiO2混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨24h～96h，得到球磨后的湿料C，将球磨后的湿料C置于温度为50℃～100℃的烘箱内烘干，得到干燥块料C，将干燥块料C置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料C，然后将粉料C置于有盖氧化铝坩埚中，在温度为700℃～850℃下预烧2h～6h，得到PIN-PMN-PT基体粉体，然后将PIN-PMN-PT基体粉体置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨12h～72h，得到球磨后的PIN-PMN-PT基体粉体，将球磨后的PIN-PMN-PT基体粉体置于温度为50℃～100℃的烘箱内烘干，得到纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36。其他与具体实施方式二至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是：步骤四中以CuO和步骤三得到的纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体为原料，采用固相合成制备技术结合流延叠层成型法制备低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料具体是按以下步骤进行的：
①、制备流延浆料：将CuO和纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体置于聚乙烯球磨罐中，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36，先向聚乙烯球磨罐中加入溶剂、去泡剂和分散剂，球磨12h～48h，再向聚乙烯球磨罐中加入粘合剂和塑化剂，球磨12h～48h，得到流延浆料；所述纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体与CuO的质量比为100:a，其中0<a≤2；
②、流延：将流延浆料抽真空去泡后，在流延速度为0.3m/min～1.0m/min的条件下，利用流延机将流延浆料进行流延，流延刮刀与底膜之间的距离为50μm～350μm，流延后平放静置晾干，得到膜片，用切膜刀将膜片切割，得到切割好的膜片；
③、叠压：将切割好的膜片进行多层叠压，得到叠压后的膜片，叠压机参数为上压台温度为75℃～90℃，下压台温度为75℃～90℃，压力为10MPa～30MPa；所述叠压后的膜片的厚度为0.5mm～20mm；
④、热水等静压：在压力为30MPa～50MPa及水温为75℃～90℃的条件下，对叠压后的膜片进行等静压，时间为30min～60min，得到热水等静压后的膜片；
⑤、切割：将热水等静压后的膜片用切割机切割，得到切割后的素坯样品；
⑥、排胶：将切割好的素坯样品放入氧化铝坩埚中，在升温速率为0.1℃/min～0.3℃/min下，将氧化铝坩埚由室温升温至600℃～650℃，然后在温度为600℃～650℃下保温1h～6h，得到排胶后的素坯；
⑦、冷等静压：在压力为150MPa～300MPa及油温为室温的条件下，将排胶后的素坯进行等静压，时间为1min～6min，得到冷等静压后的样品；
⑧、烧结：将冷等静压后的样品置于氧化铝坩埚中，采用纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体掩埋，将氧化铝坩埚由室温升至900℃～1050℃，并在900℃～1050℃下保温2h～6h，得到xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3-awt.％CuO三元系弛豫铁电陶瓷样品，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36，0<a≤2。其他与具体实施方式二至五之一相同。
本实施方式步骤①中所述纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体与溶剂的体积比为(0.15～0.40):1；所述纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体与去泡剂的体积比为(15～21):1；所述纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体与分散剂的体积比为(7～11):1；所述纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体与粘合剂的体积比为(2.5～5.0):1；所述纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体与塑化剂的体积比为(1.5～4.0):1。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤①中所述的溶剂为蒸馏水；步骤①中所述的去泡剂为Surfynol 104E；步骤①中所述的分散剂为DuramaxD3021；步骤①中所述的粘合剂为聚乙烯醇；步骤①中所述的塑化剂为聚乙二醇。其他与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：步骤⑤中所述的切割后的素坯样品长为0.5mm～6cm，宽为0.5mm～6cm。其他与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：本实施方式一种低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料用于制备大功率压电蜂鸣器和多层压电器件。
采用下述实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的制备方法是按以下步骤完成的：
一、称取2.64g MgO和17.36g Nb2O5，将称取的MgO和Nb2O5混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨24h，得到球磨后的湿料A，将球磨后的湿料A置于温度为80℃的烘箱内烘干，得到干燥块料A，将干燥块料A置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料A，然后将粉料A置于有盖氧化铝坩埚中，在温度为1000℃下预烧4h，得到纯相的MgNb2O6前驱体粉体；
二、称取10.22g In2O3和9.78g Nb2O5，将称取的In2O3和Nb2O5混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨24h，得到球磨后的湿料B，将球磨后的湿料B置于温度为80℃的烘箱内烘干，得到干燥块料B，将干燥块料B置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料B，然后将粉料B置于有盖氧化铝坩埚中，在温度为1050℃下预烧6h，得到纯相的InNbO4前驱体粉体；
三、称取20.58g PbO、2.58g TiO2、3.95g步骤一得到的纯相的MgNb2O6前驱体粉体和2.88g步骤二得到的纯相的InNbO4前驱体粉体为原料，然后将称取的纯相的MgNb2O6前驱体粉体、纯相的InNbO4前驱体粉体、PbO和TiO2混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨24h，得到球磨后的湿料C，将球磨后的湿料C置于温度为80℃的烘箱内烘干，得到干燥块料C，将干燥块料C置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料C，然后将粉料C置于有盖氧化铝坩埚中，在温度为850℃下预烧4h，得到PIN-PMN-PT基体粉体，然后将PIN-PMN-PT基体粉体置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨24h，得到球磨后的PIN-PMN-PT基体粉体，将球磨后的PIN-PMN-PT基体粉体置于温度为80℃的烘箱内烘干，得到纯相的0.23Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.42Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.35PbTiO3基体粉体；
四、采用固相合成制备技术并结合流延叠层成型工艺合成低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料具体是按以下步骤进行的：
①、制备流延浆料：将0.10g CuO和20g纯相的0.23Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.42Pb(Mg1/ 3Nb2/3)O3-0.35PbTiO3基体粉体置于聚乙烯球磨罐中，先向聚乙烯球磨罐中加入溶剂、去泡剂和分散剂，球磨12h，再向聚乙烯球磨罐中加入粘合剂和塑化剂，球磨12h，得到流延浆料；步骤①中所述的溶剂为蒸馏水；步骤①中所述的去泡剂为Surfynol 104E；步骤①中所述的分散剂为Duramax D3021；步骤①中所述的粘合剂为聚乙烯醇；步骤①中所述的增塑剂为聚乙二醇。
②、流延：将流延浆料抽真空去泡后，在流延速度为0.6m/min的条件下，利用流延机将流延浆料进行流延，流延刮刀与底膜之间的距离为250μm，流延后平放静置晾干，得到膜片，用切膜刀将膜片切割，得到切割好的膜片；
③、叠压：将切割好的膜片进行多层叠压，得到叠压后的膜片，叠压机参数为上压台温度为75℃，下压台温度为75℃，压力为20MPa；所述叠压后的膜片的厚度为5mm；
④、热水等静压：在压力为40MPa及水温为75℃的条件下，对叠压后的膜片进行等静压，时间为30min，得到热水等静压后的膜片；
⑤、切割：将热水等静压后的膜片用切割机切割，得到切割后的素坯样品；
⑥、排胶：将切割好的素坯样品放入氧化铝坩埚中，在升温速率为0.2℃/min下，将氧化铝坩埚由室温升温至600℃，然后在温度为600℃下保温3h，得到排胶后的素坯；
⑦、冷等静压：在压力为280MPa及油温为室温的条件下，将排胶后的素坯进行等静压，时间为2min，得到冷等静压后的样品；
⑧、烧结：将冷等静压后的样品置于氧化铝坩埚中，使用步骤三得到的0.23Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.42Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.35PbTiO3基体粉体掩埋，将氧化铝坩埚由室温升至1000℃，并在1000℃下保温6h得到低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料，即化学通式0.23Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.42Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.35PbTiO3-0.5wt.％CuO；
步骤①中所述纯相的0.23Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.42Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.35PbTiO3基体粉体与溶剂的体积比为(0.15～0.40):1；所述纯相的0.23Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.42Pb(Mg1/ 3Nb2/3)O3-0.35PbTiO3基体粉体与去泡剂的体积比为(15～21):1；所述纯相的0.23Pb(In1/ 2Nb1/2)O3-0.42Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.35PbTiO3基体粉体与分散剂的体积比为(7～11):1；所述纯相的0.23Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.42Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.35PbTiO3基体粉体与粘合剂的体积比为(2.5～5.0):1；所述纯相的0.23Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.42Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.35PbTiO3基体粉体与塑化剂的体积比为(1.5～4.0):1。
图1是实施例一制备的低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的XRD图谱；从图中可以看到，该PIN-PMN-PT陶瓷在烧结温度低至1000℃时可获得纯的钙钛矿相，且没有第二相的存在。这一结果证实了三元系PIN-PMN-PT弛豫铁电陶瓷样品在添加0.5wt.％的CuO后可实现1000℃的低温烧结。
实施例二：一种低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的制备方法是按以下步骤完成的：一、称取2.64g MgO和17.36g Nb2O5，将称取的MgO和Nb2O5混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨36h，得到球磨后的湿料A，将球磨后的湿料A置于温度为85℃的烘箱内烘干，得到干燥块料A，将干燥块料A置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料A，然后将粉料A置于有盖氧化铝坩埚中，在温度为1050℃下预烧6h，得到纯相的MgNb2O6前驱体粉体；
二、称取10.22g In2O3和9.78g Nb2O5纳米原料，将称取的In2O3和Nb2O5混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨36h，得到球磨后的湿料B，将球磨后的湿料B置于温度为85℃的烘箱内烘干，得到干燥块料B，将干燥块料B置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料B，然后将粉料B置于有盖氧化铝坩埚中，在温度为1100℃下预烧4h，得到纯相的InNbO4前驱体粉体；
三、称取20.44g PbO、2.41g TiO2、3.65g步骤一得到的纯相的MgNb2O6前驱体粉体和3.49g步骤二得到的纯相的InNbO4前驱体粉体为原料，然后将称取的纯相的MgNb2O6前驱体粉体、纯相的InNbO4前驱体粉体、PbO和TiO2混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨36h，得到球磨后的湿料C，将球磨后的湿料C置于温度为85℃的烘箱内烘干，得到干燥块料C，将干燥块料C置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料C，然后将粉料C置于有盖氧化铝坩埚中，在温度为800℃下预烧4h，得到PIN-PMN-PT基体粉体，然后将PIN-PMN-PT基体粉体置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨12h，得到球磨后的PIN-PMN-PT基体粉体，将球磨后的PIN-PMN-PT基体粉体置于温度为85℃的烘箱内烘干，得到纯相的0.28Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.39Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3基体粉体；
四、采用固相合成制备技术并结合流延叠层成型工艺合成低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料具体是按以下步骤进行的：
①、制备流延浆料：将0.20g CuO和20g纯相的0.28Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.39Pb(Mg1/ 3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3基体粉体置于聚乙烯球磨罐中，先向聚乙烯球磨罐中加入溶剂、去泡剂和分散剂，球磨24h，再向聚乙烯球磨罐中加入粘合剂和塑化剂，球磨24h，得到流延浆料；步骤①中所述的溶剂为蒸馏水；步骤①中所述的去泡剂为Surfynol 104E；步骤①中所述的分散剂为Duramax D3021；步骤①中所述的粘合剂为聚乙烯醇；步骤①中所述的增塑剂为聚乙二醇。
②、流延：将流延浆料抽真空去泡后，在流延速度为0.5m/min的条件下，利用流延机将流延浆料进行流延，流延刮刀与底膜之间的距离为300μm，流延后平放静置晾干，得到膜片，用切膜刀将膜片切割，得到切割好的膜片；
③、叠压：将切割好的膜片进行多层叠压，得到叠压后的膜片，叠压机参数为上压台温度为80℃，下压台温度为80℃，压力为15MPa；所述叠压后的膜片的厚度为1mm；
④、热水等静压：在压力为35MPa及水温为80℃的条件下，对叠压后的膜片进行等静压，时间为30min，得到热水等静压后的膜片；
⑤、切割：将热水等静压后的膜片用切割机切割，得到切割后的素坯样品；
⑥、排胶：将切割好的素坯样品放入氧化铝坩埚中，在升温速率为0.3℃/min下，将氧化铝坩埚由室温升温至650℃，然后在温度为650℃下保温2h，得到排胶后的素坯；
⑦、冷等静压：在压力为250MPa及油温为室温的条件下，将排胶后的素坯进行等静压，时间为3min，得到冷等静压后的样品；
⑧、烧结：将冷等静压后的样品置于氧化铝坩埚中，使用步骤三得到的0.28Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.39Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3基体粉体掩埋，将氧化铝坩埚由室温升至950℃，并在950℃下保温6h得到低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料，即化学通式0.28Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.39Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3-1wt.％CuO；步骤①中所述纯相的0.28Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.39Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3基体粉体与溶剂的体积比为(0.15～0.40):1；所述纯相的0.28Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.39Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3基体粉体与去泡剂的体积比为(15～21):1；所述纯相的0.28Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.39Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3基体粉体与分散剂的体积比为(7～11):1；所述纯相的0.28Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.39Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3基体粉体与粘合剂的体积比为(2.5～5.0):1；所述纯相的0.28Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.39Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3基体粉体与塑化剂的体积比为(1.5～4.0):1。
图2是实施例二制备的低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的断面微观形貌图；从图中可以看到该条件下制备的陶瓷样品致密，晶粒尺寸均匀，没有明显的气孔存在。进一步用阿基米德法测量了样品的密度，结果显示该条件下制备的CuO掺杂PIN-PMN-PT陶瓷的密度达到理论值的98％以上。这说明1wt.％CuO掺杂的三元系PIN-PMN-PT弛豫铁电陶瓷在950℃下实现了低温烧结，较未掺杂样品降低了300℃，且样品致密度升高。
实施例三：一种低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的制备方法是按以下步骤完成的：一、称取2.64g MgO和17.36g Nb2O5，将称取的MgO和Nb2O5混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨48h，得到球磨后的湿料A，将球磨后的湿料A置于温度为90℃的烘箱内烘干，得到干燥块料A，将干燥块料A置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料A，然后将粉料A置于有盖氧化铝坩埚中，在温度为1100℃下预烧4h，得到纯相的MgNb2O6前驱体粉体；
二、称取10.22g In2O3和9.78g Nb2O5，将称取的In2O3和Nb2O5混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨48h，得到球磨后的湿料B，将球磨后的湿料B置于温度为90℃的烘箱内烘干，得到干燥块料B，将干燥块料B置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料B，然后将粉料B置于有盖氧化铝坩埚中，在温度为1150℃下预烧4h，得到纯相的InNbO4前驱体粉体；
三、称取20.51g PbO、2.50g TiO2、3.75g步骤一得到的纯相的MgNb2O6前驱体粉体和3.25g步骤二得到的纯相的InNbO4前驱体粉体为原料，然后将称取的纯相的MgNb2O6前驱体粉体、纯相的InNbO4前驱体粉体、PbO和TiO2混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨48h，得到球磨后的湿料C，将球磨后的湿料C置于温度为90℃的烘箱内烘干，得到干燥块料C，将干燥块料C置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料C，然后将粉料C置于有盖氧化铝坩埚中，在温度为775℃下预烧4h，得到PIN-PMN-PT基体粉体，然后将PIN-PMN-PT基体粉体置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨24h，得到球磨后的PIN-PMN-PT基体粉体，将球磨后的PIN-PMN-PT基体粉体置于温度为90℃的烘箱内烘干，得到纯相的0.26Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.4Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.34PbTiO3基体粉体；
四、采用固相合成制备技术并结合流延叠层成型工艺合成低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料具体是按以下步骤进行的：
①、制备流延浆料：将0.15g CuO和20g纯相的0.26Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.4Pb(Mg1/ 3Nb2/3)O3-0.34PbTiO3基体粉体置于聚乙烯球磨罐中，先向聚乙烯球磨罐中加入溶剂、去泡剂和分散剂，球磨36h，再向聚乙烯球磨罐中加入粘合剂和塑化剂，球磨36h，得到流延浆料；步骤①中所述的溶剂为蒸馏水；步骤①中所述的去泡剂为Surfynol 104E；步骤①中所述的分散剂为Duramax D3021；步骤①中所述的粘合剂为聚乙烯醇；步骤①中所述的增塑剂为聚乙二醇。
②、流延：将流延浆料抽真空去泡后，在流延速度为0.8m/min的条件下，利用流延机将流延浆料进行流延，流延刮刀与底膜之间的距离为200μm，流延后平放静置晾干，得到膜片，用切膜刀将膜片切割，得到切割好的膜片；
③、叠压：将切割好的膜片进行多层叠压，得到叠压后的膜片，叠压机参数为上压台温度为85℃，下压台温度为85℃，压力为10MPa；所述叠压后的膜片的厚度为0.8mm；
④、热水等静压：在压力为30MPa及水温为85℃的条件下，对叠压后的膜片进行等静压，时间为30min，得到热水等静压后的膜片；
⑤、切割：将热水等静压后的膜片用切割机切割，得到切割后的素坯样品；
⑥、排胶：将切割好的素坯样品放入氧化铝坩埚中，在升温速率为0.1℃/min下，将氧化铝坩埚由室温升温至600℃，然后在温度为600℃下保温2h，得到排胶后的素坯；
⑦、冷等静压：在压力为200MPa及油温为室温的条件下，将排胶后的素坯进行等静压，时间为5min，得到冷等静压后的样品；
⑧、烧结：将冷等静压后的样品置于氧化铝坩埚中，使用步骤三得到的0.26Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.40Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.34PbTiO3基体粉体掩埋，将氧化铝坩埚由室温升至950℃，并在950℃下保温6h得到低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料，即化学通式0.26Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.4Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.34PbTiO3-0.75wt.％CuO；步骤①中所述纯相的0.26Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.4Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.34PbTiO3基体粉体与溶剂的体积比为(0.15～0.40):1；所述纯相的0.26Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.4Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.34PbTiO3基体粉体与去泡剂的体积比为(15～21):1；所述纯相的0.26Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.4Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.34PbTiO3基体粉体与分散剂的体积比为(7～11):1；所述纯相的0.26Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.4Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.34PbTiO3基体粉体与粘合剂的体积比为(2.5～5.0):1；所述纯相的0.26Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.4Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.34PbTiO3基体粉体与塑化剂的体积比为(1.5～4.0):1。
图3是实施例三制备的低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的介电温谱图；从图中可以看到，该样品的居里温度为213℃。而纯的PIN-PMN-PT陶瓷的居里温度为203℃，即0.75wt％的CuO掺杂使得陶瓷的居里温度提高了10℃。居里温度的提高使样品的温度稳定性得到改善，使用温度区间得到扩展。这表明CuO掺杂除了实现PIN-PMN-PT陶瓷低温烧结之外，更使其性能得到改善。这是本发明除低温烧结外的另一个优势所在。
图4是实施例三制备的低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的应变-电场曲线；从图中可以看到，烧结陶瓷样品有高的应变0.21％。此外，通过计算可以得出该样品的高场压电系数961pC/N。与纯的PIN-PMN-PT陶瓷的性能相比，应变和高场压电系数均得到提高。这表明CuO掺杂除了实现三元系PIN-PMN-PT弛豫铁电陶瓷的低温烧结外，还可以提高其压电响应，这更有利于高性能压电器件开发。
Claims (3)
1.一种低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料，其特征在于低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的化学通式为xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3-awt.％CuO，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36，0<a≤2；
所述的低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的制备方法是按以下步骤完成的：
一、采用固相反应法合成纯相的MgNb2O6前驱体粉体；
二、采用固相反应法合成纯相的InNbO4前驱体粉体；
三、以PbO、TiO2、步骤一得到的纯相的MgNb2O6前驱体粉体和步骤二得到的纯相的InNbO4前驱体粉体为原料，采用固相反应法合成纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36；
四、以CuO和步骤三得到的纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体为原料，采用固相合成制备技术结合流延叠层成型法制备低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料；所述低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料的化学通式为xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3-awt.％CuO，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36，0<a≤2；
步骤一中采用固相反应法合成纯相的MgNb2O6前驱体粉体具体是按以下步骤进行的：
按化学式为MgNb2O6的配比称取MgO和Nb2O5，将称取的MgO和Nb2O5混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨24h～72h，得到球磨后的湿料A，将球磨后的湿料A置于温度为50℃～100℃的烘箱内烘干，得到干燥块料A，将干燥块料A置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料A，然后将粉料A置于有盖氧化铝坩埚中，在温度为1000℃～1150℃下预烧2h～6h，得到纯相的MgNb2O6前驱体粉体；
步骤二中采用固相反应法合成纯相的InNbO4前驱体粉体具体是按以下步骤进行的：
按化学式为InNbO4的配比称取In2O3和Nb2O5，将称取的In2O3和Nb2O5混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨24h～72h，得到球磨后的湿料B，将球磨后的湿料B置于温度为50℃～100℃的烘箱内烘干，得到干燥块料B，将干燥块料B置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料B，然后将粉料B置于有盖氧化铝坩埚中，在温度为1050℃～1150℃下预烧2h～6h，得到纯相的InNbO4前驱体粉体；
步骤三中以PbO、TiO2、步骤一得到的纯相的MgNb2O6前驱体粉体和步骤二得到的纯相的InNbO4前驱体粉体为原料，采用固相反应法合成纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/ 3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体具体是按以下步骤进行的：
按化学通式为xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3配比称取纯相的MgNb2O6前驱体粉体、纯相的InNbO4前驱体粉体、PbO和TiO2，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36，然后将称取的纯相的MgNb2O6前驱体粉体、纯相的InNbO4前驱体粉体、PbO和TiO2混合并置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨24h～96h，得到球磨后的湿料C，将球磨后的湿料C置于温度为50℃～100℃的烘箱内烘干，得到干燥块料C，将干燥块料C置于玛瑙研钵中研磨破碎，得到粉料C，然后将粉料C置于有盖氧化铝坩埚中，在温度为700℃～850℃下预烧2h～6h，得到PIN-PMN-PT基体粉体，然后将PIN-PMN-PT基体粉体置于聚乙烯球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，玛瑙球为磨球，球磨12h～72h，得到球磨后的PIN-PMN-PT基体粉体，将球磨后的PIN-PMN-PT基体粉体置于温度为50℃～100℃的烘箱内烘干，得到纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36；
步骤四中以CuO和步骤三得到的纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体为原料，采用固相合成制备技术结合流延叠层成型法制备低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料具体是按以下步骤进行的：
①、制备流延浆料：将CuO和纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体置于聚乙烯球磨罐中，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36，先向聚乙烯球磨罐中加入溶剂、去泡剂和分散剂，球磨12h～48h，再向聚乙烯球磨罐中加入粘合剂和塑化剂，球磨12h～48h，得到流延浆料；所述纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体与CuO的质量比为100:a，其中0<a≤2；
②、流延：将流延浆料抽真空去泡后，在流延速度为0.3m/min～1.0m/min的条件下，利用流延机将流延浆料进行流延，流延刮刀与底膜之间的距离为50μm～350μm，流延后平放静置晾干，得到膜片，用切膜刀将膜片切割，得到切割好的膜片；
③、叠压：将切割好的膜片进行多层叠压，得到叠压后的膜片，叠压机参数为上压台温度为75℃～90℃，下压台温度为75℃～90℃，压力为10MPa～30MPa；所述叠压后的膜片的厚度为0.5mm～20mm；
④、热水等静压：在压力为30MPa～50MPa及水温为75℃～90℃的条件下，对叠压后的膜片进行等静压，时间为30min～60min，得到热水等静压后的膜片；
⑤、切割：将热水等静压后的膜片用切割机切割，得到切割后的素坯样品；
⑥、排胶：将切割好的素坯样品放入氧化铝坩埚中，在升温速率为0.1℃/min～0.3℃/min下，将氧化铝坩埚由室温升温至600℃～650℃，然后在温度为600℃～650℃下保温1h～6h，得到排胶后的素坯；
⑦、冷等静压：在压力为150MPa～300MPa及油温为室温的条件下，将排胶后的素坯进行等静压，时间为1min～6min，得到冷等静压后的样品；
⑧、烧结：将冷等静压后的样品置于氧化铝坩埚中，采用纯相的xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3基体粉体掩埋，将氧化铝坩埚由室温升至900℃～1050℃，并在900℃～1050℃下保温2h～6h，得到xPb(In1/2Nb1/2)O3-(1-x-y)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbTiO3-awt.％CuO三元系弛豫铁电陶瓷样品，其中0.16≤x≤0.36，0.32≤y≤0.36，0<a≤2。
2.根据权利要求1所述的一种低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料，其特征在于步骤①中所述的溶剂为蒸馏水；步骤①中所述的去泡剂为Surfynol 104E；步骤①中所述的分散剂为Duramax D3021；步骤①中所述的粘合剂为聚乙烯醇；步骤①中所述的塑化剂为聚乙二醇。
3.根据权利要求1所述的一种低温烧结三元系弛豫铁电陶瓷材料，其特征在于步骤⑤中所述的切割后的素坯样品长为0.5mm～6cm，宽为0.5mm～6cm。
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