CN110818410A - 一种高温pin-pht压电陶瓷及其制备方法 - Google Patents
一种高温pin-pht压电陶瓷及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110818410A CN110818410A CN201911101010.3A CN201911101010A CN110818410A CN 110818410 A CN110818410 A CN 110818410A CN 201911101010 A CN201911101010 A CN 201911101010A CN 110818410 A CN110818410 A CN 110818410A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- powder
- temperature
- pht
- piezoelectric ceramic
- pin
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 68
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 27
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 133
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 48
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims description 36
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical group CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 25
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 23
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims description 22
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims description 22
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 21
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 20
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 17
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims description 16
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 15
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N titanium dioxide Inorganic materials O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(IV) oxide Inorganic materials O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 10
- ZKATWMILCYLAPD-UHFFFAOYSA-N niobium pentoxide Inorganic materials O=[Nb](=O)O[Nb](=O)=O ZKATWMILCYLAPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 10
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 8
- 238000005303 weighing Methods 0.000 claims description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 7
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 7
- 238000012216 screening Methods 0.000 claims description 7
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 5
- 238000005469 granulation Methods 0.000 claims description 5
- 230000003179 granulation Effects 0.000 claims description 5
- XMFOQHDPRMAJNU-UHFFFAOYSA-N lead(II,IV) oxide Inorganic materials O1[Pb]O[Pb]11O[Pb]O1 XMFOQHDPRMAJNU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 abstract description 13
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 abstract description 4
- 238000005245 sintering Methods 0.000 abstract description 3
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 abstract description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 3
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 3
- 238000007873 sieving Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 244000137852 Petrea volubilis Species 0.000 description 1
- 206010035148 Plague Diseases 0.000 description 1
- 241000607479 Yersinia pestis Species 0.000 description 1
- VSTCOQVDTHKMFV-UHFFFAOYSA-N [Ti].[Hf] Chemical compound [Ti].[Hf] VSTCOQVDTHKMFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000007716 flux method Methods 0.000 description 1
- 239000000295 fuel oil Substances 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
- C04B35/48—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
- C04B35/49—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/64—Burning or sintering processes
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
- H10N30/093—Forming inorganic materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/853—Ceramic compositions
- H10N30/8548—Lead-based oxides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
- C04B2235/3251—Niobium oxides, niobates, tantalum oxides, tantalates, or oxide-forming salts thereof
- C04B2235/3255—Niobates or tantalates, e.g. silver niobate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3286—Gallium oxides, gallates, indium oxides, indates, thallium oxides, thallates or oxide forming salts thereof, e.g. zinc gallate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3296—Lead oxides, plumbates or oxide forming salts thereof, e.g. silver plumbate
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
本发明公开了一种高温PIN‑PHT压电陶瓷及其制备方法，属于电子陶瓷材料技术领域；本发明采用传统的固相烧结法制备出了化学通式xPb(In0.5Nb0.5)O3‑(1‑x)Pb(Hf1‑yTiy)O3，其中0.07≤x≤0.3，0.53≤y≤0.6的压电陶瓷。本发明通过将具有较小容差因子的铁电体PIN与电学性能较好的PHT固溶，构成三元PIN‑PHT压电陶瓷；其在保持较高居里温度的情况下仍然具有良好的压电性能；解决了现有技术中，压电性能与居里温度不能兼得的问题。
Description
技术领域
本发明属于电子陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种高温PIN-PHT压电陶瓷及其制备方法。
背景技术
近年来，压电陶瓷已经被广泛应用于航空、汽车制造、通信、能源和计算机等诸多领域，是滤波器、传感器、换能器、压电变压器等电子元器件的重要组成部分。然而，高温失效一直是困扰压电材料发展的主要问题，许多电子电器设备要求对使用范围和使用环境具有较大的适应性，例如工业上使用的超声加工、超声焊接等大功率超声换能器、核反应堆中使用的高温超声波定位探测器、内燃机中使用的燃油电喷压电阀等，必须选用具有高居里点的压电材料，才能保证压电器件可在较宽温度范围内正常工作。
居里温度(TC)是评价压电陶瓷性能的一项重要指标，当温度超过TC时，压电材料的晶格结构将发生转变，并失去自发极化，压电活性也随之消失，所以TC为压电材料应用的理论上限温度。
到目前为止，压电性能优良且工作温度高的压电陶瓷材料非常少，这就使得长期以来，特种高温压电器件不得不使用凝胶注模、助熔剂法、熔盐法等生产工艺复杂、成本高的生产方法制备。因此，开发兼具良好压电性能和高居里温度的压电陶瓷材料已成为当务之急。国内外研究较多的高温压电陶瓷多为无铅体系，但是无铅体系的压电性能普遍较弱(d33＜100pC/N)，不利于实际应用。铅基钙钛矿结构压电陶瓷的压电性能和介电性能远高于无铅体系，然而其居里温度不高(TC＜300℃)，限制了该体系的工作温度范围。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高温PIN-PHT压电陶瓷及其制备方法，本发明的铪钛酸铅-铌铟酸铅(PIN-PHT)压电陶瓷具有高居里温度，同时仍能保持较高压电性能；利用该制备方法得到的压电陶瓷，其居里温度在355℃时压电常数仍保持在450pC/N以上。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。
(一)一种高温PIN-PHT压电陶瓷，其化学式为xPb(In0.5Nb0.5)O3-(1-x)Pb(Hf1-yTiy)O3，其中0.07≤x≤0.3，0.53≤y≤0.6。
(二)一种高温PIN-PHT压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将In2O3粉体和Nb2O5粉体依次进行球磨、烘干、煅烧，得到InNbO4前驱体粉体；
步骤2、将Pb3O4粉体、TiO2粉体、HfO2粉体和所述InNbO4前驱体粉体进行预处理，得到预制混合粉料；将所述预制混合粉料进行磨细处理，得到预合成干粉料；
步骤3、对预合成干粉料进行造粒、筛分后，得到待压粉料，对待压粉料进行压制，得到陶瓷生胚；
步骤4、对所述陶瓷生胚依次进行排胶和高温反应，得到高温PIN-PHT压电陶瓷。
进一步地，步骤1按照以下步骤实施：
步骤1.1、将In2O3粉体和Nb2O5粉体按照摩尔比1∶1进行称量并混合，形成混合粉体；
步骤1.2、将经步骤1.1得到的混合粉体依次进行球磨处理和烘干处理，得到混合干粉料；
其中，所述球磨处理的转速为，时间为10-15h，球磨介质为无水乙醇；无水乙醇的用量为：每克待球磨粉料要加入0.7ml～1.2ml无水乙醇，球料质量比为(1.5～3)∶1；所述烘干处理的温度为40-50℃，时间为4-6h；
步骤1.3、将经步骤1.2得到的混合干粉料于大气气氛下1050℃～1150℃下恒温煅烧5.5h～7.5h；升温速率为4℃/min；再置于空气中自然冷却，得到InNbO4前驱体粉料。
进一步地，步骤2中，所述预处理具体为：首先，将Pb3O4粉体、TiO2粉体、HfO2粉体和所述InNbO4前驱体粉体进行球磨处理，球磨时间为10h～15h；
其次，将球磨处理后的混合粉料置于烘箱中进行烘干处理，得到混合干粉料，所述烘干处理的温度为：40℃～50℃；
最后，将所述混合干粉料于大气气氛中850℃～950℃下恒温煅烧3.5h～4.5h，得到预制混合粉料。
进一步地，所述磨细处理为手工研磨或者球磨。
进一步地，步骤3中，所述造粒为：向预合成干粉料中加入粘结剂并搅拌；所述筛分为将造粒后的粉料进行过60-100目筛网，以剔除大粉粒。
更进一步地，所述粘结剂为质量分数为6-7％的聚乙烯醇溶液；所述粘结剂的用量为：每克预合成干粉料中加入0.2ml的PVA溶液。
进一步地，所述压制的压力为90Mpa～110Mpa，保压时间为3-5min。
进一步地，所述排胶的具体过程为：在大气气氛下，以2.5℃/min～3.5℃/min的速率升温至120℃，保温10min，之后以2.5℃/min～3.5℃/min的速率继续升温至600℃～700℃，保温2h。
进一步地，所述高温反应为：在大气气氛下，以2.5℃/min～3.5℃/min的速率升温至1150℃～1300℃，保温1.5h～2.5h。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过将具有较小容差因子(t＝0.96)的铁电体PIN与电学性能较好的PHT固溶，构成三元PIN-PHT压电陶瓷；其在保持较高居里温度的情况下仍然具有良好的压电性能，TC＝330～355℃，d33＝400～490pC/N；解决了现有技术中，压电性能与居里温度不能兼得的问题。
(2)采用本发明得到的PIN-PHT压电陶瓷，可以应用于滤波器、传感器、换能器、压电变压器等对压电性能和居里温度都有较高要求的器件，有利于解决汽车工业、航空航天以及地质和石油勘探等领域的高温失效的问题。
(3)本发明PIN-PHT压电陶瓷的制备方法为传统的固相烧结法，其不需要特别的辅助工具，且对制备条件没有苛刻要求，制备成本低，有利于批量生产。
具体实施方式
下面对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。
实施例1
一种高温PIN-PHT压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将In2O3粉体和Nb2O5粉体依次进行球磨、烘干、煅烧，得到InNbO4前驱体粉体；
具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、将In2O3粉体和Nb2O5粉体按照摩尔比1∶1进行称量并混合，形成混合粉体；
步骤1.2、将经步骤1.1得到的混合粉体依次进行球磨处理和烘干处理，得到混合干粉料；即将混合粉体和氧化锆球一起添加到球磨罐中并向球磨罐中加入无水乙醇作为球磨介质，进行球磨处理。其中，球磨处理的时间为10h；无水乙醇的用量为：每克待球磨粉料要加入1ml无水乙醇，球料质量比为2∶1；所述烘干处理的温度为50℃，时间为4h；
步骤1.3、将经步骤1.2得到的混合干粉料于大气气氛下1100℃下恒温煅烧6h；升温速率为4℃/min；再将煅烧产物取出置于空气中自然冷却，得到InNbO4前驱体粉料。
步骤2、将Pb3O4粉体、TiO2粉体、HfO2粉体和所述InNbO4前驱体粉体进行预处理，得到预制混合粉料；将所述预制混合粉料进行磨细处理，得到预合成干粉料；
具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、按照xPb(In0.5Nb0.5)O3-(1-x)Pb(Hf1-yTiy)O3，x＝0.25，y＝0.6的化学计量比称取99.9％以上纯度的初始原料Pb3O4、TiO2、HfO2粉体以及步骤1中得到的前驱体粉料，
步骤2.2、将经步骤2.1称取的原料进行预处理，即将原料和氧化锆球一起添加到球磨罐中并向球磨罐中加入无水乙醇作为球磨介质，进行球磨处理。其中，球磨处理的时间为10h；无水乙醇的用量为：每克待球磨粉料要加入1ml无水乙醇，球料质量比为2∶1；对球磨处理后的产物进行烘干处理，烘干处理的温度为40℃，时间为6h，得到预制混合粉料；将所述预制混合粉料进行磨细处理，即将预制混合粉料置于研钵中进行研磨，得到预合成干粉料。
步骤3、对预合成干粉料进行造粒、筛分后，得到待压粉料，对待压粉料进行压制，得到陶瓷生胚；
具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、称取聚乙烯醇(PVA)溶解于水中，水浴配制出质量浓度为7％的PVA溶液；
步骤3.2、将经步骤3.1配制出的PVA溶液添加到经步骤2得到的预合成干粉料中进行搅拌造粒，得到粉粒，每克预合成干粉料中加入0.2ml的PVA溶液；
步骤3.3、经步骤3.2完成造粒处理后，将成形的粉粒过80目筛，剔除其中粒径较大的粉粒；
步骤3.4、将经步骤3.3过筛后得到的粉粒于100Mpa的压力下压片成型，得到横截面直径为10mm，高度1.3mm的圆柱型陶瓷生胚。
步骤4、对所述陶瓷生胚依次进行排胶和高温反应，得到高温PIN-PHT压电陶瓷。
具体按照以下步骤实施：
步骤4.1、于650℃条件下，对经步骤3得到陶瓷生胚进行排胶，之后再自然冷却至室温；具体过程为：在大气气氛下，以3℃/min的速率将马弗炉升温至120℃，恒温煅烧胚体10min，之后以3℃/min的速率继续升温至650℃，恒温煅烧胚体2h，即得到排胶后的胚体；
步骤4.2、将经步骤4.1处理后的胚体放入马弗炉中，在大气气氛下，以3℃/min的速率将马弗炉升温至1250℃，恒温煅烧胚体2h，即得到高温PIN-PHT压电陶瓷。
实施例2
一种高温PIN-PHT压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将In2O3粉体和Nb2O5粉体依次进行球磨、烘干、煅烧，得到InNbO4前驱体粉体；
具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、将In2O3粉体和Nb2O5粉体按照摩尔比1∶1进行称量并混合，形成混合粉体；
步骤1.2、将经步骤1.1得到的混合粉体依次进行球磨处理和烘干处理，得到混合干粉料；即将混合粉体和氧化锆球一起添加到球磨罐中并向球磨罐中加入无水乙醇作为球磨介质，进行球磨处理。其中，球磨处理的时间为10h；无水乙醇的用量为：每克待球磨粉料要加入1ml无水乙醇，球料质量比为2∶1；所述烘干处理的温度为50℃，时间为4h；
步骤1.3、将经步骤1.2得到的混合干粉料于大气气氛下1100℃下恒温煅烧6h；升温速率为4℃/min；再将煅烧产物取出置于空气中自然冷却，得到InNbO4前驱体粉料。
步骤2、将Pb3O4粉体、TiO2粉体、HfO2粉体和所述InNbO4前驱体粉体进行预处理，得到预制混合粉料；将所述预制混合粉料进行磨细处理，得到预合成干粉料；
具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、按照xPb(In0.5Nb0.5)O3-(1-x)Pb(Hf1-yTiy)O3，x＝0.08，y＝0.53的化学计量比称取99.9％以上纯度的初始原料Pb3O4、TiO2、HfO2粉体以及步骤1中得到的前驱体粉料；
步骤2.2、将经步骤2.1称取的原料进行预处理，即将原料和氧化锆球一起添加到球磨罐中并向球磨罐中加入无水乙醇作为球磨介质，进行球磨处理。其中，球磨处理的时间为10h；无水乙醇的用量为：每克待球磨粉料要加入1ml无水乙醇，球料质量比为2∶1；对球磨处理后的产物进行烘干处理，烘干处理的温度为40℃，时间为6h，得到预制混合粉料；将所述预制混合粉料进行磨细处理，即将预制混合粉料置于研钵中进行研磨，得到预合成干粉料。
步骤3、对预合成干粉料进行造粒、筛分后，得到待压粉料，对待压粉料进行压制，得到陶瓷生胚；
具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、称取聚乙烯醇(PVA)溶解于水中，水浴配制出质量浓度为7％的PVA溶液；
步骤3.2、将经步骤3.1配制出的PVA溶液添加到经步骤2得到的预合成干粉料中进行搅拌造粒，得到粉粒，每克预合成干粉料中加入0.2ml的PVA溶液；
步骤3.3、经步骤3.2完成造粒处理后，将成形的粉粒过80目筛，剔除其中粒径较大的粉粒；
步骤3.4、将经步骤3.3过筛后得到的粉粒于100Mpa的压力下压片成型，得到横截面直径为10mm，高度1.3mm的圆柱型陶瓷生胚。
步骤4、对所述陶瓷生胚依次进行排胶和高温反应，得到高温PIN-PHT压电陶瓷。
具体按照以下步骤实施：
步骤4.1、于650℃条件下，对经步骤3得到陶瓷生胚进行排胶，之后再自然冷却至室温；具体过程为：在大气气氛下，以3℃/min的速率将马弗炉升温至120℃，恒温煅烧胚体10min，之后以3℃/min的速率继续升温至650℃，恒温煅烧胚体2h，即得到排胶后的胚体；
步骤4.2、将经步骤4.1处理后的胚体放入马弗炉中，在大气气氛下，以3℃/min的速率将马弗炉升温至1250℃，恒温煅烧胚体2h，即得到高温PIN-PHT压电陶瓷。
实施例3
一种高温PIN-PHT压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将In2O3粉体和Nb2O5粉体依次进行球磨、烘干、煅烧，得到InNbO4前驱体粉体；
具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、将In2O3粉体和Nb2O5粉体按照摩尔比1∶1进行称量并混合，形成混合粉体；
步骤1.2、将经步骤1.1得到的混合粉体依次进行球磨处理和烘干处理，得到混合干粉料；即将混合粉体和氧化锆球一起添加到球磨罐中并向球磨罐中加入无水乙醇作为球磨介质，进行球磨处理。其中，球磨处理的时间为10h；无水乙醇的用量为：每克待球磨粉料要加入1ml无水乙醇，球料质量比为2∶1；所述烘干处理的温度为50℃，时间为4h；
步骤1.3、将经步骤1.2得到的混合干粉料于大气气氛下1100℃下恒温煅烧6h；升温速率为4℃/min；再将煅烧产物取出置于空气中自然冷却，得到InNbO4前驱体粉料。
步骤2、将Pb3O4粉体、TiO2粉体、HfO2粉体和所述InNbO4前驱体粉体进行预处理，得到预制混合粉料；将所述预制混合粉料进行磨细处理，得到预合成干粉料；
具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、按照xPb(In0.5Nb0.5)O3-(1-x)Pb(Hf1-yTiy)O3，x＝0.15，y＝0.55的化学计量比称取99.9％以上纯度的初始原料Pb3O4、TiO2、HfO2粉体以及步骤1中得到的前驱体粉料；
步骤2.2、将经步骤2.1称取的原料进行预处理，即将原料和氧化锆球一起添加到球磨罐中并向球磨罐中加入无水乙醇作为球磨介质，进行球磨处理。其中，球磨处理的时间为10h；无水乙醇的用量为：每克待球磨粉料要加入1ml无水乙醇，球料质量比为2∶1；对球磨处理后的产物进行烘干处理，烘干处理的温度为50℃，时间为5h，得到预制混合粉料；将所述预制混合粉料进行磨细处理，即将预制混合粉料置于研钵中进行研磨，得到预合成干粉料。
步骤3、对预合成干粉料进行造粒、筛分后，得到待压粉料，对待压粉料进行压制，得到陶瓷生胚；
具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、称取聚乙烯醇(PVA)溶解于水中，水浴配制出质量浓度为7％的PVA溶液；
步骤3.2、将经步骤3.1配制出的PVA溶液添加到经步骤2得到的预合成干粉料中进行搅拌造粒，得到粉粒，每克预合成干粉料中加入0.2ml的PVA溶液；
步骤3.3、经步骤3.2完成造粒处理后，将成形的粉粒过80目筛，剔除其中粒径较大的粉粒；
步骤3.4、将经步骤3.3过筛后得到的粉粒于100Mpa的压力下压片成型，得到横截面直径为10mm，高度1.3mm的圆柱型陶瓷生胚。
步骤4、对所述陶瓷生胚依次进行排胶和高温反应，得到高温PIN-PHT压电陶瓷。
具体按照以下步骤实施：
步骤4.1、于650℃条件下，对经步骤3得到陶瓷生胚进行排胶，之后再自然冷却至室温；具体过程为：在大气气氛下，以3℃/min的速率将马弗炉升温至120℃，恒温煅烧胚体10min，之后以3℃/min的速率继续升温至650℃，恒温煅烧胚体2h，即得到排胶后的胚体；
步骤4.2、将经步骤4.1处理后的胚体放入马弗炉中，在大气气氛下，以3℃/min的速率将马弗炉升温至1250℃，恒温煅烧胚体2h，即得到高温PIN-PHT压电陶瓷。
对以上实施例1-3中制备的产物即高温PIN-PHT压电陶瓷分别依次进行抛光和被银处理，具体按照以下步骤实施：
(1)将产物陶瓷片依次使用800、1000、1200目的砂纸于抛光机进行抛光；将抛光得到的陶瓷样品置于烧杯中，加入无水乙醇，于超声波清洗器中超声清洗10min；
(2)将经步骤(1)处理得到的陶瓷样品涂银处理，涂完之后立即放进烘箱烘干，且烘箱温度控制为80℃；
(3)将经步骤(2)处理得到的陶瓷样品放入马弗炉中，在大气气氛下，以3℃/min的速率将马弗炉升温至120℃，保温10min，之后以3℃/min的速率继续升温至320℃，保温0.5h，接着以4℃/min的速率继续升温至650℃，保温1.5h，即得到烧银后样品。
将上述烧银后样品在160℃条件下进行极化，极化时间为20min，极化电场为3kV/cm。
对极化后的压电陶瓷样品进行不同温度下的压电性能及介电性能测试，进而得到每个样品对应的居里温度点，具体测试结果如表1所示。
表1各压电陶瓷样品的压电性能、居里温度和介电性能测试结果
从表1可以看出，本发明的PIN-PHT压电陶瓷在压电常数为450pC/N以上时，居里温度其仍能保持在330～360℃，并且随着PIN组分的变化与铪钛比的增大，居里温度有上升的趋势。这主要是因为本发明将具有较小容忍因子t的铁电体PIN与电学性能较好的PHT固溶材料合成了具有更高的居里温度的PIN-PHT压电陶瓷材料，其属于复合钙钛矿结构。
容忍因子t定义为以下公式：
上式中，对晶体结构为ABO3的理想钙钛矿结构而言，RA、RB、RO分别为A、B、O的离子半径。
从上式容忍因子的定义可以看出，通过其大小可以判断钙钛矿结构的稳定性。当材料为立方相(顺电相)时，材料的容忍因子为1，容忍因子越小，说明材料的结构畸变越大，晶体结构越偏离立方相；而材料的居里温度(铁电相-顺电相转变温度点)则因为结构畸变的变大而提高。本发明基于上述机理通过将容忍因子较小的铁电体PIN与电学性能较好的PHT固溶构成三元压电陶瓷，从而获得压电性能良好的高居里温度材料，通过配比和工艺调整，可以使其居里温度超过350℃，制备工艺及烧结条件相对简单且压电系数和居里温度都较高的压电陶瓷材料。为解决滤波器、传感器、换能器、压电变压器等电子元器件的压电部件高温失效问题提供了有效途径，有利于大部分压电器件在较高的环境温度下稳定工作，扩展了高温压电陶瓷的研究与发展。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种高温PIN-PHT压电陶瓷，其特征在于，所述高温PIN-PHT压电陶瓷的化学通式为xPb(In0.5Nb0.5)O3-(1-x)Pb(Hf1-yTiy)O3，其中0.07＜x＜0.3，0.53≤y≤0.6。
2.一种高温PIN-PHT压电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将In2O3粉体和Nb2O5粉体依次进行球磨、烘干、煅烧，得到InNbO4前驱体粉体；
步骤2、将Pb3O4粉体、TiO2粉体、HfO2粉体和所述InNbO4前驱体粉体进行预处理，得到预制混合粉料；将所述预制混合粉料进行磨细处理，得到预合成干粉料；
步骤3、对预合成干粉料进行造粒、筛分后，得到待压粉料，对待压粉料进行压制，得到陶瓷生胚；
步骤4、对所述陶瓷生胚依次进行排胶和高温反应，得到高温PIN-PHT压电陶瓷。
3.根据权利要求2所述的高温PIN-PHT压电陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤1按照以下步骤实施：
步骤1.1、将In2O3粉体和Nb2O5粉体按照摩尔比1∶1进行称量并混合，形成混合粉体；
步骤1.2、将经步骤1.1得到的混合粉体依次进行球磨处理和烘干处理，得到混合干粉料；
其中，所述球磨处理的转速为，时间为10-15h，球磨介质为无水乙醇；无水乙醇的用量为：每克待球磨粉料要加入0.7ml～1.2ml无水乙醇，球料质量比为(1.5～3)∶1；所述烘干处理的温度为40-50℃，时间为4-6h；
步骤1.3、将经步骤1.2得到的混合干粉料于大气气氛下1050℃～1150℃下恒温煅烧5.5h～7.5h；升温速率为4℃/min；再置于空气中自然冷却，得到InNbO4前驱体粉料。
4.根据权利要求2所述的高温PIN-PHT压电陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述预处理具体为：
首先，将Pb3O4粉体、TiO2粉体、HfO2粉体和所述InNbO4前驱体粉体进行球磨处理，球磨时间为10h～15h；
其次，将球磨处理后的混合粉料置于烘箱中进行烘干处理，得到混合干粉料，所述烘干处理的温度为：40℃～50℃；
最后，将所述混合干粉料于大气气氛中850℃～950℃下恒温煅烧3.5h～4.5h，得到预制混合粉料。
5.根据权利要求2所述的高温PIN-PHT压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述磨细处理为手工研磨或者球磨。
6.根据权利要求2所述的高温PIN-PHT压电陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述造粒为：向预合成干粉料中加入粘结剂并搅拌；所述筛分为将造粒后的粉料进行过60-100目筛网，以剔除大粉粒。
7.根据权利要求6所述的高温PIN-PHT压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为质量浓度为6-7％的聚乙烯醇溶液，所述粘结剂的加入量为：每克预合成干粉料中加入0.2ml的聚乙烯醇溶液。
8.根据权利要求2所述的高温PIN-PHT压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述压制的压力为90Mpa～110Mpa，保压时间为3-5min。
9.根据权利要求2所述的高温PIN-PHT压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述排胶的具体过程为：在大气气氛下，以2.5℃/min～3.5℃/min的速率升温至120℃，保温10min，之后以2.5℃/min～3.5℃/min的速率继续升温至600℃～700℃，保温2h。
10.根据权利要求2所述的高温PIN-PHT压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述高温反应为：在大气气氛下，以2.5℃/min～3.5℃/min的速率升温至1150℃～1300℃，保温1.5h～2.5h。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911101010.3A CN110818410B (zh) | 2019-11-12 | 2019-11-12 | 一种高温pin-pht压电陶瓷及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911101010.3A CN110818410B (zh) | 2019-11-12 | 2019-11-12 | 一种高温pin-pht压电陶瓷及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110818410A true CN110818410A (zh) | 2020-02-21 |
| CN110818410B CN110818410B (zh) | 2021-09-21 |
Family
ID=69554333
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911101010.3A Active CN110818410B (zh) | 2019-11-12 | 2019-11-12 | 一种高温pin-pht压电陶瓷及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110818410B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112062565A (zh) * | 2020-09-17 | 2020-12-11 | 广西大学 | 一种psint基高熵陶瓷电卡制冷材料的制备方法 |
| CN113651614A (zh) * | 2021-07-15 | 2021-11-16 | 北京工业大学 | 一种压电能量收集用兼具高和热稳定压电性能的陶瓷材料及制备 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080258101A1 (en) * | 2003-10-15 | 2008-10-23 | De Liufu | Compositions for high power piezoelectric ceramics |
| CN101823878A (zh) * | 2010-04-23 | 2010-09-08 | 四川师范大学 | 铌酸钠钾铪锆钛酸钙系无铅压电陶瓷组合物 |
| CN107056293A (zh) * | 2017-06-06 | 2017-08-18 | 西安电子科技大学 | Fe2O3掺杂PHT‑PNN压电陶瓷的制备方法 |
| CN107216130A (zh) * | 2017-06-06 | 2017-09-29 | 西安电子科技大学 | 一种pht‑pnn压电陶瓷材料的制备方法 |
| CN109320241A (zh) * | 2018-10-22 | 2019-02-12 | 西安电子科技大学 | 一种锂铝共掺杂铪钛酸铅-铌镍酸铅压电陶瓷的制备方法 |
-
2019
- 2019-11-12 CN CN201911101010.3A patent/CN110818410B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080258101A1 (en) * | 2003-10-15 | 2008-10-23 | De Liufu | Compositions for high power piezoelectric ceramics |
| CN101823878A (zh) * | 2010-04-23 | 2010-09-08 | 四川师范大学 | 铌酸钠钾铪锆钛酸钙系无铅压电陶瓷组合物 |
| CN107056293A (zh) * | 2017-06-06 | 2017-08-18 | 西安电子科技大学 | Fe2O3掺杂PHT‑PNN压电陶瓷的制备方法 |
| CN107216130A (zh) * | 2017-06-06 | 2017-09-29 | 西安电子科技大学 | 一种pht‑pnn压电陶瓷材料的制备方法 |
| CN109320241A (zh) * | 2018-10-22 | 2019-02-12 | 西安电子科技大学 | 一种锂铝共掺杂铪钛酸铅-铌镍酸铅压电陶瓷的制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| C. AUGIER ET AL.: "Phase diagram of high Tc Pb(In1/2Nb1/2)O3–PbTiO3 ceramics", 《JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112062565A (zh) * | 2020-09-17 | 2020-12-11 | 广西大学 | 一种psint基高熵陶瓷电卡制冷材料的制备方法 |
| CN113651614A (zh) * | 2021-07-15 | 2021-11-16 | 北京工业大学 | 一种压电能量收集用兼具高和热稳定压电性能的陶瓷材料及制备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110818410B (zh) | 2021-09-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110818410B (zh) | 一种高温pin-pht压电陶瓷及其制备方法 | |
| CN113213918B (zh) | 兼具高压电性能和低损耗的钛酸锶铋—钪酸铋—钛酸铅系高温压电陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN112552048B (zh) | 一种具有高压电性能和高剩余极化强度铌酸钾钠陶瓷的制备方法 | |
| CN111908917A (zh) | 一种锆酸铋钠锶掺杂铌酸钾钠基压电陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN112174663B (zh) | 一种高性能压电陶瓷及其制备方法 | |
| CN106747440B (zh) | 一种可见光透明储能陶瓷及其制备方法 | |
| CN110357624B (zh) | 高介电常数玻璃料改性锆酸锶掺杂铌酸钾钠无铅透明陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN109970443B (zh) | 一种铷、铈共掺杂铌酸铋钙基高温压电陶瓷及其制备方法 | |
| CN113292329A (zh) | 一种铁酸铋-钛酸钡二元高温压电陶瓷材料及其制备方法和应用 | |
| CN110511019A (zh) | 一种有效降低应变滞后性的bnt基无铅铁电陶瓷及其制备方法 | |
| CN114085079A (zh) | 一种高储能的非等摩尔比高熵钙钛矿氧化物陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN106588007B (zh) | 一种高品质因数的无铅压电陶瓷 | |
| CN111333413B (zh) | 铁酸铋-钛酸铅-钛锡酸钡三元体系高温压电陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN111807838B (zh) | 一种Na0.25K0.25Bi2.5Nb2O9陶瓷的制备方法及其产品 | |
| CN103693957A (zh) | 一种微波介质陶瓷的制备方法 | |
| CN115385683B (zh) | 一种兼具高居里温度和高压电系数的压电陶瓷材料及其制备方法 | |
| KR20210114671A (ko) | 우수한 물성을 가지는 비스무스 페라이트-티탄산 바륨계 친환경 무연 압전 세라믹스 및 그 제조방법 | |
| CN115385675B (zh) | 一种高居里温度兼具储能特性的铁酸铋基无铅铁电陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN115849905A (zh) | 一种高温压电陶瓷材料、制备方法及应用 | |
| CN103539447B (zh) | 一种低温烧结的压电陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN114804870A (zh) | 一种无铅反铁电高储能密度陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN103524129A (zh) | 一种超声发射型换能器用压电陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN106116572B (zh) | 高压电系数的陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN114249592A (zh) | 硬性压电陶瓷材料的制备方法 | |
| CN116606143B (zh) | 一种压电陶瓷材料及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |