CN110862262B - 一种应用于声音元件的高性能压电陶瓷及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于声音元件的高性能压电陶瓷，其主要成分包括按照重量百分比计的99.2wt％锑镍‑锆钛酸铅三元系材料、0.06wt％的微量杂质及0.02wt％的增韧剂；其中，所述锑镍‑锆钛酸铅三元系材料的化学通式为Pb(1‑x)Bax[(Ni1/3Sb2/3)(1‑m‑n)ZrmTin]O3；其中，所述化学通式中：x＝0.01～0.10；m＝0.41～0.53；n＝0.43～0.51。通过采用新的配方组分设计，利用流延成型法制备高声压声音元件的所需的压电陶瓷，压电陶瓷在极化测试时，其介电常数为2700时，平面机电耦合系数Kp大于0.75，是一种高性能压电陶瓷材料。
Description
技术领域
本发明涉及压电陶瓷领域，尤其涉及一种应用于声音元件的高性能压电陶瓷及其制作方法。
背景技术
声音元件是压电陶瓷应用最广的产品之一，属于压电电声元件。其原理是将高压极化后的压电陶基片黏贴于振动金属片上，当加入交流电压后，会因为压电效应，而产生机械变形伸展及收缩，利用此特性使金属片振动而发出声响。主要应用于电子、电器产品的发声、警示讯响，也可作为声控电子产品的声传感器。声音元件中应用于安防领域的烟雾报警器中的声音元件对压电陶瓷的要求很高，使用过程中在需要得到较高的声压级，一般的作法中提高压电振动板两端注入的高压信号，但这样一来直接导致元件的衰减变快，使用寿命缩短，而且加大电路元件的成本。
发明内容
本发明基于对新型压电陶瓷材料的配方设计研究，开发出一种满足声音元件要求的平衡参数下突显Kp值的高性能压电陶瓷材料，通过压电振子自身电性能参数的提升来提高声压级，能够很好的解决高声压与低衰减的技术难点针。
本发明通过采用新的配方组分设计，利用流延成型法制备高声压声音元件的所需的压电陶瓷，本发明解决其技术问题所采用的具体技术方案如下：
一种应用于声音元件的高性能压电陶瓷，其组成包括按照重量百分比计99.2wt％的锑镍-锆钛酸铅三元系材料、0.06wt％的微量杂质及0.02wt％的增韧剂；
其中，所述锑镍-锆钛酸铅三元系材料的化学通式如下：
Pb(1-x)Bax[(Ni1/3Sb2/3)(1-m-n)ZrmTin]O3；
其中，所述化学通式中：x＝0.01～0.10；m＝0.41～0.53；n＝0.43～0.51。
优选的，所述Ba用分析纯级的BaCO3；Ni用分析纯级的绿色NiO；Sb用分析纯级的Sb2O5
优选的，所述微量杂质由按摩尔组成比为0.85∶0.15的Bi2O3和Li2CO3配制而成。
优选的，所述增韧剂为纳米级YSZ粉体(钇稳定氧化锆)。
根据本发明的另一方面，一种应用于声音元件的高性能压电陶瓷的制作方法，包括如下步骤：
S1：配料，按配方准确的称取对应的原料放入不锈钢盆中，待用；
S2：混磨，使用氧化锆罐将所述步骤S1称量好的配方原材料、锆球及水投入行星球磨中湿法球磨；混磨好的料浆用200目分样筛虑掉杂质、大颗粒和锆球后将浆料在烘箱中进行烘干；
S3：预烧，将所述步骤S2烘干的粉料碾碎后装入预烧坩埚，然后将装好粉料的坩埚放入马弗炉进行预烧；
S4：细磨，将所述步骤S3预烧好的粉料破碎后与锆球、水一同投入行星球磨中细磨；细磨好的料浆用200目分样筛虑掉杂质、大颗粒和锆球后将浆料进行烘干；
S5：制浆，将所述步骤S4细磨好的粉体与甲苯、无水乙醇、流延胶按一定比例配制成混合浆料用氧铝罐进行球磨混合；
S6：流膜，将所述步骤S5制得的混合均匀的浆料用200目网纱滤至不流延设置的不锈钢容器中，抽真空进行搅拌，搅拌2小时后将浆料在钢带流延机上制成生坯料带，然后将生坯料用真空机抽真空封好后在湿等静压机中按200MPa保压180s的条件进行压制处理；
S7：冲片，用脚踏冲机将所述步骤S6制得的生坯料带冲剪成相应尺寸的坯片；之后将坯片装好、叠放到匣钵中送入排胶炉中排胶，排胶时长为53小时；
S8：上粉，将所述步骤S7排胶后制得的坯片与锆粉按比例在圆柱形搅拌桶中进行混合，混合完成后，用150目分样筛滤掉粗粉，然后将坯片叠放在匣钵中；
S9：排胶，将所述步骤S8中装好坯片的匣钵放置到箱式排胶炉中进行排胶，排胶时长为56小时；
S10：烧成，将所述步骤S9装有排好胶坯片的匣钵放入箱式电阻炉中进行烧成，烧成曲线1305℃*8h，保温120min后制得压电陶瓷成品。
优选的，所述步骤S2混磨时，所述原料、锆球和水的添加比例为1∶2.5∶0.7，所述混磨条件为行星磨的工艺参数设置为转速400r/Min，球磨时间为4小时；所述烘干条件为烘干温度为200度，烘干时间为12小时。
优选的，所述步骤S3预烧时，所述粉料碾碎后颗粒小于5mm，预烧曲线设置成400min升到1060℃保温120min。
优选的，所述步骤S4细磨时，所述粉料碾碎后颗粒小于2mm，所述原料、锆和水的添加比例为1∶3∶0.8，所述混磨条件为行星磨的工艺参数设置为转速400r/Min，球磨时间为8小时；所述烘干条件为烘干温度为150度，烘干时间为12小时。
优选的，所述步骤S5制浆时，所述粉体与甲苯、无水乙醇、流延胶的添加比例为5∶0.54∶0.27∶1.08，所述球磨混合条件为转速28r/Min，混合时间24小时。
优选的，所述步骤S8上粉时，所述坯片与锆粉按质量比1∶0.002的比例进行混合，所述圆柱形搅拌桶的速率为8r/Min，搅拌时间20分钟。
和现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：通过采用新的配方组分设计，利用流延成型法制备高声压声音元件的所需的压电陶瓷，当压电瓷片上被上电极，极化后进行数据采集，分别用电桥采集极化后的电容C2和损耗tgδ2；用阻抗分析仪采集Fr、Bw、Qm、Kp等参数；用d33测试仪采集压电应变常数d33后，测量后发现本发明制得的压电陶瓷在介电常数为2700时，其平面机电耦合系数Kp大于0.75，是一种高性能压电陶瓷材料。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，其中描述了实现本发明采用的实施例。应明白，还可使用其他的实施例，或者对本文所举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。
实施例一
本发明提供了一种锑镍-锆钛酸铅三元系的压电陶瓷材料，其组成包括按照重量百分比计99.2wt％的锑镍-锆钛酸铅三元系材料、0.06wt％的微量杂质及0.02wt％的增韧剂；
其中锑镍-锆钛酸铅三元系的化学通式为Pb(1-x)Bax[(Ni1/3Sb2/3)(1-m-n)ZrmTin]O3；
其中，化学通式中：x＝0.01～0.10；m＝0.41～0.53；n＝0.43～0.51。
具体的，Ba用分析纯级的BaCO3；Ni用分析纯级的绿色NiO；Sb用分析纯级的Sb2O5
具体的，微量杂质由按摩尔组成比为0.85∶0.15的Bi2O3和Li2CO3配制而成。
具体的，增韧剂为纳米级YSZ粉体(钇稳定氧化锆)。
具体的，本实施例中锑镍-锆钛酸铅三元系的压电陶瓷的制备方法如下：
S1：配料，按照重量百分比计99.2wt％的锑镍-锆钛酸铅三元系材料、0.06wt％的微量杂质及0.02wt％的增韧剂准确的称取对应的原料放入不锈钢盆中，待用；
具体的，原料放入不锈钢盆中，其内壁比较光滑，不会粘料，可以保证实际投料的准确性。
具体的，锑镍-锆钛酸铅三元系材料的化学式为Pb0.90Ba0.10[(Ni1/3Sb2/3)0.05Zr0.47Ti0.48]O3，即式中：x＝0.1；m＝0.47；n＝0.48，称取99.2克的锑镍-锆钛酸铅三元系材料、0.06克微量杂质，其中微量杂质由按摩尔组成比为0.85∶0.15的Bi2O3和Li2CO3配制，0.02克的增韧剂即0.02克纳米级YSZ粉体。
S2：混磨，使用氧化锆罐将称量好的配方原材料、锆球及水投入行星球磨中湿法球磨；混磨好的料浆用200目分样筛虑掉杂质、大颗粒和锆球后将浆料在烘箱中烘干；
具体的，原料、锆球和水的添加比例为1∶2.5∶0.7，行星磨的工艺参数设置为转速400r/Min，球磨时间为4小时；烘干温度设定为200度，烘干时间为12小时。
S3：预烧，将步骤S2烘干的粉料碾碎后装入预烧坩埚，然后将装好粉料的坩埚放入马弗炉进行预烧；
具体的，粉料碾碎后颗粒小于5mm，预烧曲线设置成400min升到1060℃，保温120min。
S4：细磨，将步骤S3预烧好的粉料破碎后与锆球、水一同投入行星球磨中细磨；细磨好的料浆用200目分样筛虑掉杂质、大颗粒和锆球后将浆料进行烘干；
具体的，粉料碾碎后颗粒小于2mm，原料、锆和水的添加比例为1∶3∶0.8，行星磨的工艺参数设置为转速400r/Min，球磨时间为8小时；烘干温度设定为150度，烘干时间为12小时。
S5：制浆，将步骤S4细磨好的粉体与甲苯、无水乙醇、流延胶按一定比例配制成混合浆料用氧铝罐进行球磨混合；
具体的，粉体与甲苯、无水乙醇、流延胶的添加比例为5∶0.54∶0.27∶1.08，球磨混合条件为转速28r/Min，混合时间24小时。
S6：流膜，将步骤S5制得的混合均匀的浆料用200目网纱滤至不流延设置的不锈钢容器中，抽真空进行搅拌，搅拌2小时后将浆料在钢带流延机上制成生坯料带，然后将生坯料用真空机抽真空封好后在湿等静压机中按200MPa保压180s的条件进行压制处理；
具体的，生坯料带的规格为长27mm宽度15mm厚度0.115mm。但也可以根据实际需要改变生坯料带的规格，在此不做具体限定。
S7：冲片，用脚踏冲机将步骤S6制得的生坯料带冲剪成相应尺寸的坯片；之后将坯片装好、叠放到匣钵中送入排胶炉中排胶，排胶时长为53小时；
具体的，坯片可冲剪成为直径10.2mm的圆形片，但也可以根据实际需要剪成相应尺寸，在此不做具体限定。
S8：上粉，将步骤S7排胶后制得的坯片与锆粉按比例在圆柱形搅拌桶中进行混合，混合完成后，用150目分样筛滤掉粗粉，然后将坯片叠放在匣钵中；
具体的，坯片与锆粉按质量比1∶0.002的比例进行混合，圆柱形搅拌桶的速率为8r/Min，搅拌时间20分钟。
S9：排胶，将步骤S8中装好坯片的匣钵放置到箱式排胶炉中进行排胶，排胶时长为56小时；
S10：烧成，将步骤S9装有排好胶坯片的匣钵放入箱式电阻炉中进行烧成，烧成曲线1305℃*8h，保温120min后制得压电陶瓷片成品。
将制得压电陶瓷片成品，用手工印刷机在瓷片上被上φ9.5的电极(印好一面后在120℃的烘箱烘30min，再印另一面)；将烘干后的瓷片，放入网带炉760℃*50min；然后将上述制品进行极化，极化采用点极化方式，电压700V；极后4小时进行数据采集：其中用电桥采集极化后的电容C2和损耗tgδ2；用阻抗分析仪采集Fr、Bw、Qm、Kp等参数；用d33测试仪采集d33。经测试本实施例制备得到的高温压电陶瓷材料性能参数如下：
其介电常数为2500，平面机电耦合系数Kp为0.76，纵向压电常数d33为530。
实施例二
本实施例在制备的压电陶瓷时称取原料的成分为99.2克的锑镍-锆钛酸铅三元系材料、0.06克的微量杂质(按摩尔组成比为0.85∶0.15的Bi2O3和Li2CO3配制)及0.02克的增韧剂(纳米级YSZ粉体)。
具体的，锑镍-锆钛酸铅三元系材料的化学通式为Pb0.95Ba0.05[(Ni1/3Sb2/3)0.08Zr0.45Ti0.47]O3；即式中：x＝0.05；m＝0.45；n＝0.47。
其他成分和实施步骤与实施例一基本一致，在此不一一赘述，经测试得知，本实施例制备得到的压电陶瓷片的性能参数如下：
其介电常数为2750，平面机电耦合系数Kp为0.77，纵向压电常数d33为560。
实施例三
本实施例在制备的压电陶瓷时称取原料的成分为99.2克的锑镍-锆钛酸铅三元系材料、0.06克的微量杂质(按摩尔组成比为0.85∶0.15的Bi2O3和Li2CO3配制)及0.02克的增韧剂(纳米级YSZ粉体)。
具体的，锑镍-锆钛酸铅三元系材料的化学通式为Pb0.91Ba0.09[(Ni1/3Sb2/3)0.08Zr0.48Ti0.44]O3；即式中：x＝0.09；m＝0.48；n＝0.44。
其他成分和实施步骤与实施例一基本一致，在此不一一赘述，经测试得知，本实施例制备得到的压电陶瓷片的性能参数如下：
其介电常数为2800，平面机电耦合系数Kp为0.78，纵向压电常数d33为580。
实施例四
本实施例在制备的压电陶瓷时称取原料的成分为99.2克的锑镍-锆钛酸铅三元系材料、0.065克微量杂质(按摩尔组成比为0.85∶0.15的Bi2O3和Li2CO3配制)及0.02克的增韧剂(纳米级YSZ粉体)。
具体的，锑镍-锆钛酸铅三元系材料的化学通式为Pb0.88Ba0.12[(Ni1/3Sb2/3)0.06Zr0.50Ti0.44]O3；即式中：x＝0.12；m＝0.48；n＝0.44。
其他成分和实施步骤与实施例一基本一致，在此不一一赘述，经测试得知，本实施例制备得到的压电陶瓷片的性能参数如下：
其介电常数为2750，平面机电耦合系数Kp为0.82，纵向压电常数d33为610。
从几个典型实施例可以看出，这种独特的配方体系在介电常数2700时就能够制备出平面机电耦合系数Kp大于0.75的高性能压电陶瓷材料，尤其是实施例四在介电常数2750时得到了平面机电耦合系数Kp为0.82的压电陶瓷材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种应用于声音元件的高性能压电陶瓷，其特征在于，所述压电陶瓷的组成包括按照重量百分比计的99.2wt%的锑镍-锆钛酸铅三元系材料、0.06 wt%的微量杂质及0.02wt%的增韧剂；
其中，所述锑镍-锆钛酸铅三元系材料的化学通式如下:
Pb（1-x）Bax[（Ni1/3Sb2/3）(1-m-n) ZrmTin]O3；
其中，所述化学通式中:x=0.01~0.10； m= 0.41~0.53；n=0.43~0.51
其中，所述微量杂质由按摩尔组成比为0.85:0.15的Bi2O3和Li2CO3配制而成 ；
其中，所述增韧剂为纳米级钇稳定氧化锆粉体。
2.根据权利要求1所述的高性能压电陶瓷,其特征在于，所述Ba采用分析纯级的BaCO3 ；Ni采用分析纯级的绿色NiO ；Sb采用分析纯级的Sb2O5。
3.根据权利要求1-2所述的任一一种应用于声音元件的高性能压电陶瓷的制作方法，其特征在于，包括如下步骤:
S1:配料，按配方准确的称取对应的原料放入不锈钢盆中，待用；
S2:混磨，使用氧化锆罐将步骤S1称量好的配方原材料、锆球及水投入行星球磨中湿法球磨；混磨好的料浆用200目分样筛滤掉杂质、大颗粒和锆球后将浆料在烘箱中进行烘干；
S3:预烧，将步骤S2烘干的粉料碾碎后装入预烧坩埚，然后将装好粉料的坩埚放入马弗炉进行预烧；
S4:细磨，将步骤S3预烧好的粉料破碎后与锆球、水一同投入行星球磨中进行细磨；细磨好的料浆用200目分样筛滤掉杂质、大颗粒和锆球后将浆料进行烘干；
S5:制浆, 将步骤S4细磨好的粉体与甲苯、无水乙醇、流延胶按一定比例配制成混合浆料用氧化铝罐进行球磨混合；
S6:流膜，将步骤S5制得的混合均匀的浆料用200目网纱滤至不流延设置的不锈钢容器中，抽真空进行搅拌，搅拌2小时后将浆料在钢带流延机上制成生坯料带，然后将生坯料用真空机抽真空封好后在湿等静压机中按200MPa保压180s的条件进行压制处理；
S7:冲片，用脚踏冲机将步骤S6制得的生坯料带冲剪成相应尺寸的坯片；之后将坯片装好、叠放到匣钵中送入排胶炉中排胶，排胶时长为53小时；
S8:上粉，将步骤S7排胶后制得的坯片与锆粉按比例在圆柱形搅拌桶中进行混合，混合完成后，用150目分样筛滤掉粗粉，然后将坯片叠放在匣钵中；
S9:排胶，将步骤S8中装好坯片的匣钵放置到箱式排胶炉中进行排胶，排胶时长为56小时；
S10: 烧成, 将步骤S9装有排好胶坯片的匣钵放入箱式电阻炉中进行烧成，烧成曲线1305℃*8h，保温120min后制得压电陶瓷成品。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，步骤S2混磨时，原料、锆球和水的添加比例为1:2.5:0.7，行星磨的工艺参数设置为转速400r/min,球磨时间为4小时；烘干温度为200度，烘干时间为12小时。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，步骤S3预烧时，粉料碾碎后颗粒小于5mm，预烧曲线设置成400min升到1060℃，保温120min。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，步骤S4细磨时，粉料碾碎后颗粒小于2mm，原料、锆球和水的添加比例为1:3:0.8，行星磨的工艺参数设置为转速400r/min,球磨时间为8小时；烘干温度为150度，烘干时间为12小时。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，步骤S5制浆时，粉体与甲苯、无水乙醇、流延胶的添加比例为5:0.54:0.27:1.08，球磨混合条件为转速28r/min,混合时间24小时。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，步骤S8上粉时，坯片与锆粉按质量比1:0.002比例进行混合，圆柱形搅拌桶的速率为8r/min，搅拌时间20分钟。
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