CN111146329B - 一种核电奥氏体焊缝检测用高介电压电材料及制备方法 - Google Patents

一种核电奥氏体焊缝检测用高介电压电材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于核电奥氏体焊缝检测双矩阵探头的高介电压电陶瓷材料，该材料组成通式为：APb1‑x‑y‑zCaxSryBaz（Ni1／3·Nb2／3）O3·BPb（Zn1／3·Nb2／3）O3·CPbTiO3·DPbZrO3；式中：0.01＜A＜0.55；0.01＜B＜0.7；0.1＜C＜0.6；0.01＜D＜0.7；0.0≤X＜0.1；0.0≤Y＜0.1；0.0≤Z＜0.1；A、B、C、D、X、Y、Z为摩尔数，且A+B+C+D=1；在上述配方组成中，A、B、C、D、X、Y和Z为摩尔数，且A+B+C+D=1。根据上述配方组成，按化学计量比进行配料，还提供了一种制备方法。本发明优点在于采用本发明的材料配方组成和制备工艺，能获得介电常数ε：7800；压电应变常数d33:870pc／N的高介电常数压电陶瓷材料，其压电综合性能满足了核电奥氏体焊缝检测的双矩阵探头等多种型号的高性能超声探头的使用要求。

Description

一种核电奥氏体焊缝检测用高介电压电材料及制备方法
技术领域
本发明涉及电子元器件制造技术领域，特别是应用于超声波探伤探头，具体地说是一种核电奥氏体焊缝检测用高介电压电材料及制备方法。
背景技术
由于国家对核电发展的重视，国内核电站数量会大量增加，截至目前，涉及核电规划的省份已经增加到21个，占据了中国的2/3。而核电的安全是被首要关注的问题，其中超声无损检测对于核电设备的检验是必不可少的重要方法，在核电的设备制造和日常安全运行中占据着相当大的比重。奥氏体钢焊接工艺由于具有良好的机械强度、耐腐蚀性和韧性等优点而被广泛应用于核电、造船等工业部门。奥氏体钢焊缝材料中含有大量的粗晶，再加上焊接材料在凝固期间生成了树枝状或纤维状的取向晶粒，超声波在其中传播衰减很大，超声检测灵敏度降低，尤其是在大厚度奥氏体不锈钢焊缝中超声波传播的路径甚至会发生剧烈的变化，对于此类材料中缺陷的定位和定量一直是无损检测技术研究中的一个重要研究课题。
超声无损检测是通过超声波探头来实现超声波的发射和接收，从而判断有无缺陷，而压电陶瓷是超声探头的核心材料，目前行业内普遍使用双矩阵探头对核电奥氏体焊缝进行检测以提高检测效果。但目前由于双矩阵探头，每个子阵元面积较小，需要压电陶瓷的介电常数在7500以上，目前行业内压电陶瓷介电常数为6500，普遍偏低，导致制备的双矩阵探头电学阻抗一直偏小，无法与检测仪器很好的匹配，导致检测核电奥氏体焊缝这种粗晶材料时一直灵敏度不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，而提供一种高介电常数、高压电应变常数、能极大提升对核电奥氏体粗晶材料检测灵敏度的一种核电奥氏体焊缝检测用高介电压电材料及制备方法。
在Pb（Ni1／3·Nb2／3）O3－PbTiO3－PbZrO3 、Pb（Zn1／3·Nb2／3）O3－PbTiO3－PbZrO3 、Pb（Fe1／3·Sb2／3）O3－PbTiO3－PbZrO3等多元系统压电陶瓷材料在准同型相界（MPS）附近有异常突出的介电和压电性能，产生强压电性的主要原因：其一，准同型相界处，材料的结构一般是三方和四方相两相共存，三方相有8个可能的极化方向，四方相有6个可能的极化方向，在两相共存的相界处就有14个可能的极化方向，有利于电畴沿电场方向取向；其二，相界处结构中的空位及缺陷较多，在外电场的作用下，电畴易于取向，可出现大的极化性质；其三，三方和四方相两种晶体结构的能量很接近，并且在外界条件变动时，如施加电场或应力，则发生一种结构的扩大，另一种结构的缩小，正是这种结构活动性使得相界附近的组成具有介电性和压电性的极大值。
基于上述原理，本发明提供一种高介电常数、高d33压电陶瓷材料配方和工艺，该材料组成通式为：APb1-x-y-zCaxSryBaz（Ni1／3·Nb2／3）O3·BPb（Zn1／3·Nb2／3）O3·CPbTiO3·DPbZrO3
其中：0.01＜A＜0.55；0.01＜B＜0.7；0.1＜C＜0.6；0.01＜D＜0.7；0.0≤X＜0.1；0.0≤Y＜0.1；0.0≤Z＜0.1；在上述配方组成中，A、B、C、D、X、Y和Z为摩尔数，且A+B+C+D=1。
其制备工艺步骤为：根据上述配方组成，按化学计量比进行配料，用玛瑙球作为研磨介质，湿法球磨混料8～10小时，湿料烘干后压块合成，压力为80~100MPa;合成温度在800～900℃保温2～4小时；合成料块经粗粉碎后再用氧化锆球作为研磨介质，湿法砂磨12小时，出料烘干后加入1～3wt%PVA(聚乙烯醇)粘接剂造粒，粘接剂的加入量是以合成的压电陶瓷材料经湿法研磨后烘干粉料为基准加入的。干压成型压力为100～150MPa,成型坯体在800～850℃保温3～5小时排胶，然后将素坯置于Al2O3坩埚中，在氧化气氛中以1～3℃／分钟的速率升温至1280～1320℃，保温2～3小时烧结，将烧结瓷体加工成Φ17*1mm尺寸，经超声清洗后烘干，并置于900～1100℃氧化气氛炉中保持1～3小时氧化处理，然后上电极极化和性能测试。烘干后粉料的中位粒径为0.5μｍ，配料时Ca、Sr和Ba分别以Ca（Ni1／3·Nb2／3）O3、Sr（Ni1／3·Nb2／3）O3、Ba（Ni1／3·Nb2／3）O3形式加入。
本发明的一种用于核电奥氏体焊缝检测双矩阵探头的高介电压电陶瓷材料，该材料组成通式为：APb1-x-y-zCaxSryBaz（Ni1／3·Nb2／3）O3·BPb（Zn1／3·Nb2／3）O3·CPbTiO3·DPbZrO3 ；式中：0.01＜A＜0.55；0.01＜B＜0.7；0.1＜C＜0.6；0.01＜D＜0.7；0.0≤X＜0.1；0.0≤Y＜0.1；0.0≤Z＜0.1；A、B、C、D、X、Y、Z为摩尔数，且A+B+C+D=1；在上述配方组成中，A、B、C、D、X、Y和Z为摩尔数，且A+B+C+D=1。根据上述配方组成，按化学计量比进行配料，还提供了一种制备方法。本发明优点在于采用本发明的材料配方组成和制备工艺，能获得介电常数ε：7800；压电应变常数d33:870pc／N的高介电常数压电陶瓷材料，其压电综合性能满足了核电奥氏体焊缝检测的双矩阵探头等多种型号的高性能超声探头的使用要求。
附图说明
图1是实施例一的表一；
图2是实施例二的表二。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的描述，以进一步表明本发明实质性特点和显著的进步。
实施例一：
一种核电奥氏体焊缝检测用高介电压电材料，其材料组成为：
0.09Pb0.92Ca0.01Sr0.05Ba0.02（Ni1／3·Nb2／3）O3·0.16Pb（Zn1／3·Nb2／3）O3·0.372PbTiO3·0.378PbZrO3
根据上述配方组成，按化学计量比进行配料1000g，用玛瑙球作为研磨介质，湿法球磨混料8小时，湿料烘干后，以80MPa压力压块合成，合成条件为850℃保温3小时；合成料块经粗粉碎后再用氧化锆球作为研磨介质，湿法砂磨12小时，粉料的D50为0.51μｍ，料烘干后加1.5wt%PVA(聚乙烯醇)粘接剂造粒，粘接剂的加入量是以合成的压电陶瓷材料经湿法研磨后烘干粉料为基准加入的。干压成型压力为150MPa,将成型坯体置于排胶炉中，缓慢升温至850℃保温3小时排胶，然后将素坯放入Al2O3坩埚中，加盖后置于氧化气氛烧结炉内，以2℃／分钟的速率升温至1310℃，保温3小时烧结，将烧结瓷体加工成Φ17*1mm尺寸，经超声清洗后烘干，并置于980℃氧化气氛炉中保持3小时氧化处理，取出后上电极、极化和性能测试。压电性能见表一。
表一：
表中：Kp: 压电耦合系数 tgδ：介质损耗。
实施例二：
一种核电奥氏体焊缝检测用高介电压电材料，其材料组成为：材料组成为：0.1Pb0.91Ca0.01Sr0.06Ba0.02（Ni1／3·Nb2／3）O3·0.15Pb（Zn1／3·Nb2／3）O3·0.37PbTiO3·0.38PbZrO3 。
根据上述配方组成，按化学计量比进行配料1000g，用玛瑙球作为研磨介质，湿法球磨混料10小时，湿料烘干后，以100MPa压力压块合成，合成条件为880℃保温3小时；合成料块经粗粉碎后再用氧化锆球作为研磨介质，湿法砂磨12小时，粉料的D50为0.49μｍ，料烘干后加1.2wt%PVA(聚乙烯醇)粘接剂造粒，粘接剂的加入量是以合成的压电陶瓷材料经湿法研磨后烘干粉料为基准加入的。干压成型压力为130MPa,将成型坯体置于排胶炉中，缓慢升温至850℃保温3小时排胶，然后将素坯放入Al2O3坩埚中，加盖后置于氧化气氛烧结炉内，以2℃／分钟的速率升温至1200℃，然后再以1℃／分钟的速率升温至1300℃保温3小时烧结，将烧结瓷体加工成Φ17*1mm尺寸，经超声清洗后烘干，并置于1060℃氧化气氛炉中保持3小时氧化处理，取出后上电极、极化和性能测试。压电性能见表二。
表二：
表中：Kp: 压电耦合系数 tgδ：介质损耗。
本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (1)

1.一种用于核电奥氏体焊缝检测双矩阵探头的高介电压电陶瓷材料，其特征是：材料组成为：0.1Pb0.91Ca0.01Sr0.06Ba0.02（Ni1／3·Nb2／3）O3·0.15Pb（Zn1／3·Nb2／3）O3·0.37PbTiO3·0.38PbZrO3 ；压电性能中介电常数ε：7850、D33：880 pc/N、tgδ：2.8%、Kp：0.66；其中：Kp为压电耦合系数，tgδ为介质损耗。
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