CN108002832A - 一种低温共烧压电陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及非金属材料领域，且特别涉及一种低温共烧压电陶瓷材料及其制备方法。该压电陶瓷材料通过添加特定比例及成分的烧结助剂，降低了烧结温度，抑制了烧结过程中PbO的挥发，并且压电陶瓷材料压电性能优良，具有广阔的实际应用前景。该制备方法，将原料Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3按照该压电陶瓷材料化学式的化学计量比对应的质量百分比称取，球磨过筛后造粒压片，在940℃～960℃烧结3‑5小时。可有效地延缓烧结过程中PbO的挥发，有效地节约能源，并且制得的压电陶瓷材料电性能良好。

Description

一种低温共烧压电陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及非金属材料领域，且特别涉及一种低温共烧压电陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
随着集成电路设计和新材料的快速发展，电子产品越来越趋向于小型化、轻型化和廉价化。多层结构的压电陶瓷材料已广泛应用于各种设备如变压器、扬声器、过滤器等。具有优异的压电常数和机电耦合系数高的PNN-PZT压电陶瓷材料综合应用在军事和民用中。众所周知，对PNN-PZT陶瓷烧结温度约为1200～1300℃。铅蒸气在960℃以上的高温中会挥发，在常规固相反应中会降低样品的电学性质。此外，铅是对人体健康极为有害的重金属之一。目前，最常用的减缓氧化铅挥发的方法是在密闭气氛中烧结，加入适量的PbO，但问题没有得到有效解决。
一般情况下，当烧结温度不适当降低时，压电陶瓷材料的电性能会恶化。因此，降低烧结温度，保证致密性，保持陶瓷基体良好的电性能，已成为低温烧结压电陶瓷材料的关键。所以研发一种低温烧结同时又具有优异的电学性能已成为压电陶瓷材料行业的迫切需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温共烧压电陶瓷材料及其制备方法，是三元系Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr0.41Ti0.59)O3压电陶瓷材料，通过在其内部添加适量的Bi2O3、Li2CO3、CuO等助烧剂，在不损害其压电性能的基础上，降低其烧结温度，抑制PbO的蒸发。同时，低温烧结技术可以抑制多层电容陶瓷片中，电极层金属原子向陶瓷内部扩散，降低多层陶瓷的电性能及服役寿命。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
本发明提供了一种低温共烧压电陶瓷材料，压电陶瓷材料的化学式为：
0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+xwt.％CuO+ywt.％LiBiO2，其中x＝0.1-0.3,y＝1-2。
一种压电陶瓷材料的制备方法：
将原料Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3按0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+xwt.％CuO+ywt.％LiBiO2，其中x＝0.1-0.3,y＝1-2的化学计量比对应的质量百分比称取，球磨过筛后造粒压片，在940℃～960℃烧结3-5小时。
本发明有益效果是：
本发明提供的一种低温共烧压电陶瓷材料，压电陶瓷材料的化学式为：0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+xwt.％CuO+ywt.％LiBiO2，其中x＝0.1-0.3,y＝1-2。通过添加特定比例及成分的烧结助剂，降低了烧结温度，抑制了烧结过程中PbO的挥发，并且压电陶瓷材料压电性能优良，具有广阔的实际应用前景。
本发明提供的一种低温共烧压电陶瓷材料的制备方法，将原料Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3按0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+xwt.％CuO+ywt.％LiBiO2，其中x＝0.1-0.3,y＝1-2的化学计量比称取，球磨过筛后造粒压片，在940℃～960℃烧结3-5小时。可有效地延缓烧结过程中PbO的挥发，有效地节约能源，并且制得的压电陶瓷材料电性能良好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例1-4制备得到的压电陶瓷材料的XRD图谱；
图2为本发明实施例1-4制备得到的压电陶瓷材料的扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面对本发明实施例的一种低温共烧压电陶瓷材料及其制备方法进行具体说明。
本发明实施例提供的一种低温共烧压电陶瓷材料，压电陶瓷材料的化学式为：
0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+xwt.％CuO+ywt.％LiBiO2，其中x＝0.1-0.3,y＝1-2。
进一步地，该压电陶瓷材料的化学式为：
0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+xwt.％CuO+ywt.％LiBiO2，其中x＝0.1,0.2,0.3,y＝1,2。
进一步地，可选地，上述的压电陶瓷材料的原料选择Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3。具体地，将这几种原料研磨成粉末，用于烧结该压电陶瓷材料。
需要说明的是，在本发明其他可选的实施例中，上述的压电陶瓷材料的原料可以选择其他包含上述金属元素的化合物，不限于前述该金属的氧化物。进一步地，选择其他形式的该金属元素的化合物时，仍然可以选用粉末的形式。
进一步地，当选择Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3作为原料时，按照质量百分比计算，四氧化三铅粉末44-49wt％、氧化锆粉末23-30wt％、氧化钛粉末7-9wt％、五氧化二铌粉末3-6wt％、氧化镍粉末1-3wt％、氧化铜4-16wt％、三氧化二铋0-1wt％和碳酸锂粉末0-1wt％。
通过添加CuO、Bi2O3和Li2CO3作为助烧结剂，有利于在固相反应中形成低熔点玻璃相。晶界的玻璃相加速了原子的迁移速率，有利于晶粒的快速生长。该压电陶瓷材料的特定的成分以及比例有助于在烧结该压电陶瓷材料时，在不损害其压电性能的基础上，降低其烧结温度，抑制PbO的蒸发。
其中，Bi2O3、Li2CO3、CuO作为助烧剂，添加到Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr0.41Ti0.59)O3三元系压电陶瓷材料中，有利于在固相反应中形成低熔点玻璃相，
从而降低烧结温度，抑制PbO的蒸发，有效地改善烧结工艺，环保性、经济效果好。
具体地，Bi2O3是一种特殊的材料，熔点825℃。具有立方萤石矿型结构，其晶格中有1/4的氧离子位置是空缺的，因而具有非常高的氧离子导电性能。将其应用于压电陶瓷材料的制备，其特殊的晶格结构以及较低的熔点，能够有效地降低整个系统的烧结温度，并且有助于提高整个Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr0.41Ti0.59)O3三元系统的电性能。
Li2CO3为无色单斜晶系结晶体或白色粉末，熔点618℃。常用的锂离子电池原料。将其用于制备压电陶瓷材料，有助于提高整个系统的电性能，并且其较低的熔点能够有效地降低整个Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Zr0.41Ti0.59)O3三元系统的烧结温度，从而抑制PbO的蒸发，改善烧结工艺。
CuO是一种铜的黑色氧化物，略显两性，稍有吸湿性。相对分子质量熔点1026℃。将CuO应用到上述压电陶瓷材料的制备，能够有效地降低烧结温度，提高致密度，并且还可以显著地提高该压电陶瓷材料的机械品质因子。具体地CuO的加入使得液相烧结中的晶粒重排、晶界迁移率提高，使气孔充分排出，促进晶粒的发育，从而提高磁体致密度，达到降低烧结温度的目的。
本发明的一些实施方式还提供一种压电陶瓷材料的制备方法。包括以下步骤：
S1、将原料Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3按0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+xwt.％CuO+ywt.％LiBiO2，其中x＝0.1-0.3,y＝1-2的化学计量比对应的质量百分比称取，球磨过筛后造粒压片，在940℃～960℃烧结3-5小时。
具体地，根据上述的化学式计算出对应的Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3的摩尔比，然后再计算出各个原料的质量分数，进而对应称量原料Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3，以备后续的煅烧步骤。
进一步地，按质量百分比计算，Pb3O4 44-49wt％、ZrO2 23-30wt％、TiO2 7-9wt％、Nb2O5 3-6wt％、NiO 1-3wt％、CuO 4-16wt％、Bi2O3 0-1wt％和Li2CO3 0-1wt％。
进一步地，将称量好的各个原料混合后研磨过筛，制得混合原料粉末备用。
进一步地，对原料进行球磨，球磨介质为去离子水和锆球，其中，按照重量比计算，锆球：原料：去离子水为2：1：1。进一步地，过筛是过40目筛。
可选地，采用精度为0.1mg的电子平衡天平，按照上述的质量百分比称量各氧化物粉末，并混合，得到混合原料；将混合原料用尼龙球磨罐作为容器，锆球为球磨介质，按照重量比计算，锆球：原料：去离子水为2：1：1。球磨时间12h，转速480r/min，粉末在真空干燥处理70℃×3h，即得混合原料粉末。
S2、将混合原料粉末预烧。
进一步地，预烧是在800℃～900℃保温2h，随炉冷却到室温，得第一中间产物。
具体地，将混合原料粉末放入坩埚内，压实，加盖，密封，在于800℃～900℃预烧，保温2h，自然冷却到室温，出炉，得第一中间产物。
S3、将第一中间产物球磨过筛。
对第一中间产物球磨时，球磨介质均为去离子水和锆球，其中，按照重量比计算，锆球：原料：去离子水为2：1：1；过筛是过40目筛。
具体地，将第一中间产物放入球磨罐中进行球磨粉碎。可选地，球磨时间为12h，转速为480r/min，再将球磨后的物料于70℃烘干，研磨后过40目筛，得到第一中间产物粉末。
S4、将第一中间产物粉末造粒压片。
在第一中间产物粉末中加入聚乙烯醇进行造粒压片，得第一坯件。
可选地，在第一中间产物粉末中外加5wt.％的聚乙烯醇进行造粒，造粒完成后在8MPa的压力下干压成型直径为10mm，厚度为1mm的圆片，得第一坯件。
S5、对第一坯件进行排胶。
将坯件在600摄氏度保温120分钟，进行排胶。
具体地，将第一坯件放入加热炉中，缓慢升温至600℃，保温120分钟，进行排胶。
S6、烧结。
将排胶后的第一坯件在940℃～960℃烧结3-5小时。
具体地，将排胶后的第一坯件体放入刚玉坩埚内，加盖严实，于940℃～960℃烧结，保温3-5小时，随炉自然冷却至室温，制得压电陶瓷材料片。
S7、将上述制得的压电陶瓷材料片采用丝网印刷的方法，在其上下表面均匀的涂覆一层银电极，并在850℃烧银；
将烧银后的压电陶瓷材料片置于70℃的硅油中，在电场强度为3KV/mm下极化20min，制得压电陶瓷材料。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述：
实施例1
本实施例提供的一种低温共烧压电陶瓷材料。
该压电陶瓷材料的化学式：
0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+0.1wt.％CuO+1wt.％LiBiO2。
该低温共烧压电陶瓷材料通过以下步骤制得：
采用精度为0.1mg的电子平衡天平，称量Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3。混合，得到混合原料；将混合原料用尼龙球磨罐作为容器，锆球为球磨介质，按照重量比计算，锆球：原料：去离子水为2：1：1。球磨时间12h，转速480r/min，粉末在真空干燥处理70℃×3h，即得混合原料粉末。将混合原料粉末放入坩埚内，压实，加盖，密封，在于800℃预烧，保温2h，自然冷却到室温，出炉，得第一中间产物。将第一中间产物放入球磨罐中进行球磨粉碎。球磨时间为12h，转速为480r/min，再将球磨后的物料于70℃烘干，研磨后过40目筛，得到第一中间产物粉末。在第一中间产物粉末中外加5wt.％的聚乙烯醇进行造粒，造粒完成后在8MPa的压力下干压成型直径为10mm，厚度为1mm的圆片，得第一坯件。将第一坯件放入加热炉中，缓慢升温至600℃，保温120分钟，进行排胶。将排胶后的第一坯件体放入刚玉坩埚内，加盖严实，于940℃烧结，保温3小时，随炉自然冷却至室温，制得压电陶瓷材料片。将烧银后的压电陶瓷材料片置于70℃的硅油中，在电场强度为3KV/mm下极化20min，制得压电陶瓷材料。
实施例2
本实施例提供的一种低温共烧压电陶瓷材料。
该压电陶瓷材料的化学式：
0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+0.1wt.％CuO+2wt.％LiBiO2。
该低温共烧压电陶瓷材料通过以下步骤制得：
采用精度为0.1mg的电子平衡天平，称量Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3。混合，得到混合原料；将混合原料用尼龙球磨罐作为容器，锆球为球磨介质，按照重量比计算，锆球：原料：去离子水为2：1：1。球磨时间12h，转速480r/min，粉末在真空干燥处理70℃×3h，即得混合原料粉末。将混合原料粉末放入坩埚内，压实，加盖，密封，在于900℃预烧，保温2h，自然冷却到室温，出炉，得第一中间产物。将第一中间产物放入球磨罐中进行球磨粉碎。球磨时间为12h，转速为480r/min，再将球磨后的物料于70℃烘干，研磨后过40目筛，得到第一中间产物粉末。在第一中间产物粉末中外加5wt.％的聚乙烯醇进行造粒，造粒完成后在8MPa的压力下干压成型直径为10mm，厚度为1mm的圆片，得第一坯件。将第一坯件放入加热炉中，缓慢升温至600℃，保温120分钟，进行排胶。将排胶后的第一坯件体放入刚玉坩埚内，加盖严实，于960℃烧结，保温3小时，随炉自然冷却至室温，制得压电陶瓷材料片。将烧银后的压电陶瓷材料片置于70℃的硅油中，在电场强度为3KV/mm下极化20min，制得压电陶瓷材料。
实施例3
本实施例提供的一种低温共烧压电陶瓷材料。
该压电陶瓷材料的化学式：
0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+0.2wt.％CuO+1wt.％LiBiO2。
该低温共烧压电陶瓷材料通过以下步骤制得：
采用精度为0.1mg的电子平衡天平，称量Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3。混合，得到混合原料；将混合原料用尼龙球磨罐作为容器，锆球为球磨介质，按照重量比计算，锆球：原料：去离子水为2：1：1。球磨时间12h，转速480r/min，粉末在真空干燥处理70℃×3h，即得混合原料粉末。将混合原料粉末放入坩埚内，压实，加盖，密封，在于850℃预烧，保温2h，自然冷却到室温，出炉，得第一中间产物。将第一中间产物放入球磨罐中进行球磨粉碎。球磨时间为12h，转速为480r/min，再将球磨后的物料于70℃烘干，研磨后过40目筛，得到第一中间产物粉末。在第一中间产物粉末中外加5wt.％的聚乙烯醇进行造粒，造粒完成后在8MPa的压力下干压成型直径为10mm，厚度为1mm的圆片，得第一坯件。将第一坯件放入加热炉中，缓慢升温至600℃，保温120分钟，进行排胶。将排胶后的第一坯件体放入刚玉坩埚内，加盖严实，于950℃烧结，保温3小时，随炉自然冷却至室温，制得压电陶瓷材料片。将烧银后的压电陶瓷材料片置于70℃的硅油中，在电场强度为3KV/mm下极化20min，制得压电陶瓷材料。
实施例4
本实施例提供的一种低温共烧压电陶瓷材料。
该压电陶瓷材料的化学式：
0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+0.2wt.％CuO+2wt.％LiBiO2。
该低温共烧压电陶瓷材料通过以下步骤制得：
采用精度为0.1mg的电子平衡天平，称量Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3。混合，得到混合原料；将混合原料用尼龙球磨罐作为容器，锆球为球磨介质，按照重量比计算，锆球：原料：去离子水为2：1：1。球磨时间12h，转速480r/min，粉末在真空干燥处理70℃×3h，即得混合原料粉末。将混合原料粉末放入坩埚内，压实，加盖，密封，在于855℃预烧，保温2h，自然冷却到室温，出炉，得第一中间产物。将第一中间产物放入球磨罐中进行球磨粉碎。球磨时间为12h，转速为480r/min，再将球磨后的物料于70℃烘干，研磨后过40目筛，得到第一中间产物粉末。在第一中间产物粉末中外加5wt.％的聚乙烯醇进行造粒，造粒完成后在8MPa的压力下干压成型直径为10mm，厚度为1mm的圆片，得第一坯件。将第一坯件放入加热炉中，缓慢升温至600℃，保温120分钟，进行排胶。将排胶后的第一坯件体放入刚玉坩埚内，加盖严实，于955℃烧结，保温3小时，随炉自然冷却至室温，制得压电陶瓷材料片。将烧银后的压电陶瓷材料片置于70℃的硅油中，在电场强度为3KV/mm下极化20min，制得压电陶瓷材料。
实施例5
本实施例提供的一种低温共烧压电陶瓷材料。
该压电陶瓷材料的化学式：
0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+0.3wt.％CuO+1wt.％LiBiO2。
该低温共烧压电陶瓷材料通过以下步骤制得：
采用精度为0.1mg的电子平衡天平，称量Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3。混合，得到混合原料；将混合原料用尼龙球磨罐作为容器，锆球为球磨介质，按照重量比计算，锆球：原料：去离子水为2：1：1。球磨时间12h，转速480r/min，粉末在真空干燥处理70℃×3h，即得混合原料粉末。将混合原料粉末放入坩埚内，压实，加盖，密封，在于810℃预烧，保温2h，自然冷却到室温，出炉，得第一中间产物。将第一中间产物放入球磨罐中进行球磨粉碎。球磨时间为12h，转速为480r/min，再将球磨后的物料于70℃烘干，研磨后过40目筛，得到第一中间产物粉末。在第一中间产物粉末中外加5wt.％的聚乙烯醇进行造粒，造粒完成后在8MPa的压力下干压成型直径为10mm，厚度为1mm的圆片，得第一坯件。将第一坯件放入加热炉中，缓慢升温至600℃，保温120分钟，进行排胶。将排胶后的第一坯件体放入刚玉坩埚内，加盖严实，于945℃烧结，保温3小时，随炉自然冷却至室温，制得压电陶瓷材料片。将烧银后的压电陶瓷材料片置于70℃的硅油中，在电场强度为3KV/mm下极化20min，制得压电陶瓷材料。
实施例6
本实施例提供的一种低温共烧压电陶瓷材料。
该压电陶瓷材料的化学式：
0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+0.3wt.％CuO+2wt.％LiBiO2。
该低温共烧压电陶瓷材料通过以下步骤制得：
采用精度为0.1mg的电子平衡天平，称量Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3。混合，得到混合原料；将混合原料用尼龙球磨罐作为容器，锆球为球磨介质，按照重量比计算，锆球：原料：去离子水为2：1：1。球磨时间12h，转速480r/min，粉末在真空干燥处理70℃×3h，即得混合原料粉末。将混合原料粉末放入坩埚内，压实，加盖，密封，在于860℃预烧，保温2h，自然冷却到室温，出炉，得第一中间产物。将第一中间产物放入球磨罐中进行球磨粉碎。球磨时间为12h，转速为480r/min，再将球磨后的物料于70℃烘干，研磨后过40目筛，得到第一中间产物粉末。在第一中间产物粉末中外加5wt.％的聚乙烯醇进行造粒，造粒完成后在8MPa的压力下干压成型直径为10mm，厚度为1mm的圆片，得第一坯件。将第一坯件放入加热炉中，缓慢升温至600℃，保温120分钟，进行排胶。将排胶后的第一坯件体放入刚玉坩埚内，加盖严实，于952℃烧结，保温3小时，随炉自然冷却至室温，制得压电陶瓷材料片。将烧银后的压电陶瓷材料片置于70℃的硅油中，在电场强度为3KV/mm下极化20min，制得压电陶瓷材料。
实施例7
本实施例提供的一种低温共烧压电陶瓷材料。
该压电陶瓷材料的化学式：
0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+0.15wt.％CuO+1.5wt.％LiBiO2。
该低温共烧压电陶瓷材料通过以下步骤制得：
采用精度为0.1mg的电子平衡天平，称量Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3。混合，得到混合原料；将混合原料用尼龙球磨罐作为容器，锆球为球磨介质，按照重量比计算，锆球：原料：去离子水为2：1：1。球磨时间12h，转速480r/min，粉末在真空干燥处理70℃×3h，即得混合原料粉末。将混合原料粉末放入坩埚内，压实，加盖，密封，在于870℃预烧，保温2h，自然冷却到室温，出炉，得第一中间产物。将第一中间产物放入球磨罐中进行球磨粉碎。球磨时间为12h，转速为480r/min，再将球磨后的物料于70℃烘干，研磨后过40目筛，得到第一中间产物粉末。在第一中间产物粉末中外加5wt.％的聚乙烯醇进行造粒，造粒完成后在8MPa的压力下干压成型直径为10mm，厚度为1mm的圆片，得第一坯件。将第一坯件放入加热炉中，缓慢升温至600℃，保温120分钟，进行排胶。将排胶后的第一坯件体放入刚玉坩埚内，加盖严实，于956℃烧结，保温3小时，随炉自然冷却至室温，制得压电陶瓷材料片。将烧银后的压电陶瓷材料片置于70℃的硅油中，在电场强度为3KV/mm下极化20min，制得压电陶瓷材料。
实施例8
本实施例提供的一种低温共烧压电陶瓷材料。
该压电陶瓷材料的化学式：
0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+0.25wt.％CuO+1.7wt.％LiBiO2。
该低温共烧压电陶瓷材料通过以下步骤制得：
采用精度为0.1mg的电子平衡天平，称量Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3。混合，得到混合原料；将混合原料用尼龙球磨罐作为容器，锆球为球磨介质，按照重量比计算，锆球：原料：去离子水为2：1：1。球磨时间12h，转速480r/min，粉末在真空干燥处理70℃×3h，即得混合原料粉末。将混合原料粉末放入坩埚内，压实，加盖，密封，在于880℃预烧，保温2h，自然冷却到室温，出炉，得第一中间产物。将第一中间产物放入球磨罐中进行球磨粉碎。球磨时间为12h，转速为480r/min，再将球磨后的物料于70℃烘干，研磨后过40目筛，得到第一中间产物粉末。在第一中间产物粉末中外加5wt.％的聚乙烯醇进行造粒，造粒完成后在8MPa的压力下干压成型直径为10mm，厚度为1mm的圆片，得第一坯件。将第一坯件放入加热炉中，缓慢升温至600℃，保温120分钟，进行排胶。将排胶后的第一坯件体放入刚玉坩埚内，加盖严实，于948℃烧结，保温3小时，随炉自然冷却至室温，制得压电陶瓷材料片。将烧银后的压电陶瓷材料片置于70℃的硅油中，在电场强度为3KV/mm下极化20min，制得压电陶瓷材料。
实验例一：
对本发明的实施例1-4制备得到的压电陶瓷材料采用XRD进行相结构分析，结果如图1所示。实施例1-4分别对应1#-4#。
从图1可知，不同CuO和LiBiO2添加量对陶瓷片的相结构并不产生太大影响。各压电陶瓷均以单一的钙钛矿结构形式存在，说明适量的烧结助剂CuO和LiBiO2在陶瓷片烧结初期，优先形成低熔点液态玻璃相形式存在，促进晶粒愈合长大，降低烧结温度；在烧结后期，玻璃相分解，固溶进入钙钛矿内部，而非以第二相存在与晶界之中。
实验例二：
对本发明的实施例1-4制备得到的压电陶瓷材料采用扫描电镜进行显微分析，结果如图2所示。实施例1-4分别对应a-d。
从图2可知，少量掺杂烧结助剂，陶瓷片内部晶粒长大不充分，孔洞较多；过量添加烧结助剂，陶瓷片组织形貌较差，晶粒发生异常长大。当添加适量的Bi2O3、CuO及Li2CO3时，陶瓷内部晶粒大小尺寸均匀，无明显孔洞。
实验例三
对本发明的实施例1-8制备得到的压电陶瓷材料考察电学性能。
结果见表1。
表1实施例1-8制备得到的压电陶瓷材料电学性能数据
从表1中可知，该压电陶瓷材料的最高压电常数可达到608pC/N，机电耦合系数kp可达到65％，介电损耗低至2.19％，介电常数可达3843，具有广阔的实际应用前景。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种低温共烧压电陶瓷材料，其特征在于，所述低温共烧压电陶瓷材料的化学式为：
0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+xwt.％CuO+ywt.％LiBiO2，其中x＝0.1-0.3,y＝1-2。
2.根据权利要求1所述的低温共烧压电陶瓷材料，其特征在于，所述低温共烧压电陶瓷材料的化学式为：
0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+xwt.％CuO+ywt.％LiBiO2，其中x＝0.1,0.2,0.3,y＝1,2。
3.根据权利要求1所述的低温共烧压电陶瓷材料，其特征在于，所述低温共烧压电陶瓷材料主要由多种原料制成，多种所述原料包括：Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3以及Li2CO3；按质量百分比计算，Pb3O4 44-49wt％、ZrO2 23-30wt％、TiO2 7-9wt％、Nb2O5 3-6wt％、NiO 1-3wt％、CuO 4-16wt％、Bi2O3 0-1wt％和Li2CO3 0-1wt％。
4.一种低温共烧压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，将原料Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、NiO、CuO、Bi2O3和Li2CO3按0.3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.7Pb(Zr0.41Ti0.59)O3+xwt.％CuO+ywt.％LiBiO2，其中x＝0.1-0.3,y＝1-2的化学计量比对应的质量百分比称取，球磨过筛后造粒压片，在940℃～960℃烧结3-5小时。
5.根据权利要求4所述的低温共烧压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，
造粒前还进行预烧，预烧是在800℃～900℃保温2h，随炉冷却到室温，得第一中间产物。
6.根据权利要求5所述的低温共烧压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，
将所述第一中间产物球磨过筛后，加入聚乙烯醇进行造粒压片，得第一坯件。
7.根据权利要求6所述的低温共烧压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，
对所述原料和所述第一中间产物球磨时，球磨介质均为去离子水和锆球，其中，按照重量比计算，锆球：原料：去离子水为2：1：1。
8.根据权利要求6所述的低温共烧压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，
对所述原料和所述第一中间产物球磨时，过筛均是过40目筛。
9.根据权利要求6所述的低温共烧压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，
将所述第一坯件在600℃保温120分钟，进行排胶。
10.根据权利要求5所述的低温共烧压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，
烧结结束后，还对烧结得到的压电陶瓷片依次进行烧银和极化，
其中，烧银是在所述压电陶瓷片上涂敷银电极，并在850℃烧银；
极化是将烧银后的所述压电陶瓷片置于70℃的硅油中，在电场电场强度为3KV/mm下20min极化。
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