CN111747740B - 钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷及其制备方法 - Google Patents

钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷，其材料具有以下化学通式：Pb0.98Ba0.015Sr0.005(Zr0.52Ti0.48)O3+xwt％Sm2O3，其中0.1≤x≤0.5，wt％为质量百分比。本发明还公开了该压电陶瓷的制备方法，包括：称取原料，加入去离子水后进行球磨、烘干、过筛、预压、煅烧；将煅烧后的物料破碎后进行二次球磨、烘干、研磨过筛，得到陶瓷粉体；将陶瓷粉体压制成胚料，并进行排胶、高温烧结、低温氧化后，得到氧化后的陶瓷；以及将氧化后的陶瓷经丝印被银、煅烧、极化后，得到该压电陶瓷片。本发明制得的压电陶瓷片，居里温度Tc为350～420℃，压电常数D33为480～550pC/N，相对介电系数ε33T/ε0为1720～1850。该材料在常温至高温环境下均可反复或长期使用，可应用于高温条件下的各种压电加速度传感器、超声传感器等领域。

Description

钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及压电陶瓷领域，尤其涉及一种钐离子掺杂锆钛酸铅基压电陶瓷及其制备方法。
背景技术
压电陶瓷是人类自1880年J.居里和P.居里发现压电效应以来，在探索压电材料的工作中所取得的成果之一。它是一种能够将机械能和电能相互转换的功能陶瓷材料，广泛应用于医学成像、各类传感器、换能器、超声马达等诸多领域。自1954年B.Jaffe等发现比BaTiO3性能更出色的压电材料—锆钛酸铅(PZT)陶瓷以来，逐步产生了二元、三元乃至四元系压电陶瓷材料。虽然通过改变Zr/Ti可以改变材料的性能参数，但仅仅靠Zr/Ti的改变是不能满足各种应用条件对材料提出的性能要求的。而添加一些掺杂可以在很大范围内改变材料的性能，从而大大扩大了压电陶瓷的应用范围。
等价离子置换是PZT陶瓷的性能改善的最常见且有有效的手段。等价离子的加入对PZT二元系性能的影响所谓等价离子的加入是指用一些与Pb2+、Zr4+、Ti4+同价，且离子半径相似的离子加入到PZT固溶体中，置换一部分原来的Pb2+、Zr4+、Ti4+。这些离子占据了原来正常晶格中的Pb2+、Zr4+、Ti4+位置，形成了置型固溶体。常用的置换Pb2+离子有Ba2+、P、Ca2+、Sr2+。置换Zr4+、Ti4+的离子有Sn4+、Hf4+。Ba2+置换部分Pb2+后使压电陶瓷的机械品质因素(Qm)增大，频率温度稳定性得到改善。Ca2+置换部分Pb2+后使频率温度稳定性得到改善，但机电耦合系数(K)和Qm略有所降低。Sr2+置换Pb2+后使K和Qm增大，频率温度稳定性得到改善。
在实际生产中，为了取长补短，通常加入两种或两种以上的等价离子。但目前的Ba2+、Sr2+改性的PZT压电陶瓷的压电性能和长时间温度稳定性仍然不够理想，需要提供一种更优异的置换和掺杂方式。
发明内容
为此，本发明提供了一种钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷及其制备方法，以力图解决或至少解决上述存在的问题。
根据本发明的另一方面，提供一种钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷，其材料具有以下化学通式：Pb0.98Ba0.015Sr0.005(Zr0.52Ti0.48)O3+xwt％Sm2O3，其中0.1≤x≤0.5，wt％表示质量百分比。
可选地，在根据本发明的钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷中，x＝0.1、0.2或者0.4。
可选地，在根据本发明的钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷中，压电陶瓷居里温度为350～420℃，压电常数为480～550pC/N，相对介电系数为1720～1850。
根据本发明的另一方面，提供一种如上所述的钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：按照化学通式的化学计量比称取Pb2O3、BaCO3、SrCO3、ZrO2、TiO2和Sm2O3，加入去离子水后进行球磨、烘干、过筛、预压、煅烧；将煅烧后的物料破碎后进行二次球磨、烘干、研磨过筛，得到陶瓷粉体；将陶瓷粉体压制成胚料，并进行排胶、高温烧结、低温氧化后，得到氧化后的陶瓷；以及将氧化后的陶瓷经丝印被银、煅烧、极化后，得到所述钐离子掺杂锆钛酸铅基压电陶瓷片。
可选地，在根据本发明的制备方法中，各原料的加入顺序为：先在球磨桶中加入Pb2O3，之后加入BaCO3、SrCO3和Sm2O3，最后加入ZrO2和TiO2。
可选地，在根据本发明的制备方法中，球磨桶中，总原料：玛瑙球：去离子水的重量比为1:1.5:0.8或者1:2:0.6。
可选地，在根据本发明的制备方法中，加入去离子水后进行球磨烘干、过筛、预压、煅烧的步骤包括：将所称取的物料球磨6～12h后烘干，将烘干后的粉料研磨过40～60目筛；将过筛后的粉料进行预压，并将预成型后的块状料在700～900℃下煅烧。
可选地，在根据本发明的制备方法中，球磨机转速为100～150转/min，烘干温度为100～120℃，烘干时间为18～24h，预压压强为0.8～1.5T/cm2，块状料的煅烧时间为1～2h。
可选地，在根据本发明的制备方法中，将煅烧后的物料破碎后进行二次球磨、烘干、研磨过筛的步骤包括：将煅烧后的物料破碎后过30～50目筛，并进行二次球磨和烘干；将烘干后的粉料充分研磨后过筛，并加入PVA水溶液后再次研磨过筛，得到所述陶瓷粉体。
可选地，在根据本发明的制备方法中，PVA水溶液按照粉料总质量3～6％的比例添加，其中PVA水溶液的质量百分比浓度为7-10％。
可选地，在根据本发明的制备方法中，将陶瓷粉体压制成胚料，并进行排胶、高温烧结、低温氧化的步骤包括：将陶瓷粉体置入模具中压制成型得到胚料，将胚料放入高温炉中并按照第一升温速率升温至600～800℃，保温1～2h后排胶；将排胶后的胚料放入坩埚中，并在高温炉中升温至1180～1260℃后保温1～3h，得到烧成陶瓷；以及将烧成陶瓷冷却后放置到低温炉中，按照第二升温速率升温至700～900℃后保温2～3h，得到氧化后的陶瓷。
可选地，在根据本发明的制备方法中，陶瓷粉体的成型压强为1.5～2.5T/cm2，第一升温速率为2～4℃/min，第二升温速率为2～3℃/min。
可选地，在根据本发明的制备方法中，将烧成陶瓷经丝印被银、煅烧、极化的步骤包括：将氧化后的陶瓷上下表面丝印被银后烘干、煅烧，得到被银陶瓷体；将被银陶瓷体放入硅油中，在直流电压极化一定时间，取出清洗后自然老化，得到钐离子掺杂钛锆酸铅基高性能压电陶瓷。
可选地，在根据本发明的制备方法中，丝印被银后的煅烧温度为650℃～800℃、煅烧时间为1～2h，硅油温度为120～140℃，直流电压为3～4kV/mm，极化时间为15～20min，自然老化时间为24～48h。
根据本发明的技术方案，提供了一种在Ba2+、Sr2+置换部分Pb2+离子的PZT陶瓷基础上通过掺杂镧系元素钐离子的压电陶瓷材料制备方法。该陶瓷材料具备高居里温度、高压电系数、高介电常数和高性能稳定性，适用于高温条件下的各种压电传感器、超声传感器等。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。
图1示出了根据本发明一个实施例的钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷的制备方法100的流程图；
图2和图3分别示出了根据本发明一个实施例的某成品陶瓷端口处的扫描电镜(SEM)图；
图4示出了图2和图3中压电陶瓷材料的X射线衍射(XRD)图谱；
图5示出了图2和图3中成品陶瓷的压电性能的高温稳定性长时间测试跟踪图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明公开了一种钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷，其材料具有以下化学通式：Pb0.98Ba0.015Sr0.005(Zr0.52Ti0.48)O3+xwt％Sm2O3，其中0.1≤x≤0.5，wt％表示质量百分比，表示在总质量中的质量百分比。作为优选地，x＝0.1、0.2或者0.4。该压电陶瓷的原材料为Pb2O3、BaCO3、SrCO3、ZrO2、TiO2和Sm2O3，本发明以这些原料为基础来制备压电陶瓷。最终制得的该压电陶瓷的居里温度为350～420℃，压电常数为480～550pC/N，相对介电系数为1720～1850，在常温至高温环境下可反复或长期使用，可应用于高温条件下的各种压电加速度传感器、超声传感器等领域。
图1示出了根据本发明一个实施例的该压电陶瓷的制备方法100的流程图。如图1所示，该方法始于步骤S110中。
在步骤S110中，按照化学通式的化学计量比称取Pb2O3、BaCO3、SrCO3、ZrO2、TiO2和Sm2O3，加入去离子水后进行球磨、烘干、过筛、预压、煅烧。
通常，上述六种原料称取后分别加入到球磨桶中以进行球磨，这几种原料在球磨桶中的加入顺序为：先加入含量最多的Pb2O3，之后加入量少的BaCO3、SrCO3和Sm2O3，最后加入剩下的ZrO2和TiO2。这样有利于利于原料的充分混合，避免少量原料附着在球磨桶壁而导致化学比偏离而且，球磨桶中，总原料：玛瑙球：去离子水的重量比为1:1.5:0.8或者1:2:0.6，这里可选1:1.5:0.8。
根据一个实施例，加入去离子水后进行球磨、烘干、过筛、预压、煅烧的步骤包括：将所称取的物料球磨6～12h后烘干，将烘干后的粉料研磨过40～60目筛；之后，将过筛后的粉料进行预压，并将预成型后的块状料在700～900℃下煅烧。
这里，球磨机转速为100～150转/min，烘干温度为100～120℃，烘干时间为18～24h，预压压强为0.8～1.5T/cm2，块状料的煅烧时间为1～2h。
优选地，球磨机转速为120转/min，球磨时间为8h，烘干温度为120℃，烘干时间为20h，烘干后的粉料过40目筛，预成型的块状料在750℃或850℃下煅烧2h。
随后，在步骤S120中，将煅烧后的物料破碎后进行二次球磨、烘干、研磨过筛，得到陶瓷粉体。
具体而言，将煅烧后的物料破碎后过30～50目筛，并进行二次球磨和烘干；之后，将烘干后的粉料充分研磨后过筛，并加入PVA水溶液后再次研磨过筛，得到陶瓷粉体。其中，PVA水溶液按照粉料总质量3～6％的比例添加，其中PVA水溶液的质量百分比浓度为7-10％。
优选地，煅烧后的物料破碎后过50目筛，二次球磨的球磨桶中粉料：玛瑙球：去离子水的重量比为1:2:0.6，球磨机转速为120转/min，球磨20h后将混合均匀的浆料放入120℃烘箱中烘干。烘干后的粉料充分研磨并过筛，随后加入粉料总重量3％的PVA水溶液，充分研磨过筛。
随后，在步骤S130中，将陶瓷粉体压制成胚料，并进行排胶、高温烧结、低温氧化后，得到氧化后的陶瓷。
根据一个实施例，步骤S130具体包括以下三个分步骤：
1)压制排胶步骤：将陶瓷粉体置入模具中压制成型得到胚料，将胚料放入高温炉并按照第一升温速率中升温至600～800℃，保温1～2h后排胶。陶瓷粉体的成型压强为1.5～2.5T/cm2，第一升温速率为2～4℃/min，当然也可以设置为其他数值，本发明对此不作限制。优选地，高温炉升温至600℃后保温1～2h排胶。
2)高温烧结步骤：将排胶后的胚料放入坩埚中，并在高温炉中升温至1180～1260℃后保温1～3h，得到烧成陶瓷。优选地，高温炉升温至1200℃或者1220℃后保温3h。
3)低温氧化步骤：将烧成陶瓷冷却后放置到低温炉中，按照第二升温速率升温至700～900℃后保温2～3h，得到氧化后的陶瓷。该第二升温速率为2～4℃/min，优选地为2℃/min，当然不限于此。优选地，低温炉中按照2℃/min的升温速率升温至750℃，保温3h。
随后，在步骤S140中，将氧化后的陶瓷经丝印被银、煅烧、极化后，得到所述钐离子掺杂锆钛酸铅基压电陶瓷片。
根据一个实施例，步骤S130具体包括以下两个分步骤：
1)烘干煅烧步骤：将氧化后的陶瓷上下表面丝印被银后烘干、煅烧，得到被银陶瓷体。其中，烘干温度为120℃；煅烧温度为650℃～800℃，优选地为750℃；煅烧时间为1～2h，优选地为1h。
2)极化步骤：将被银陶瓷体放入硅油中，在直流电压极化一定时间，取出清洗后自然老化，得到钐离子掺杂钛锆酸铅基高性能压电陶瓷。其中，硅油温度为120～140℃；直流电压为3～4kV/mm，优选地为3kV/mm；极化时间为15～20min，优选地为20min；自然老化时间为24～48h。
下面通过具体的实施例说明本发明制备钐离子掺杂锆钛酸铅基压电陶瓷的方法，该描述仅是为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例中的钐离子掺杂锆钛酸铅基压电陶瓷材料，其原料组成为：Pb0.98Ba0.015Sr0.005(Zr0.52Ti0.48)O3+0.1wt％Sm2O3，其制备方法包括以下步骤：
(1)按照本实施例的化学计量比计算称量好各原料，按照如上所述的物料添加顺序依次加入到球磨桶进行球磨。球磨桶中粉料：玛瑙球：去离子水的重量比为1:1.5:0.8，球磨机转速为120转/min，球磨8h后将混合均匀的浆料放入烘箱中，120℃烘干；
(2)将烘干后的粉料研磨过40目筛，过筛后的粉料进行预压，将预成型后的块状料在750℃下煅烧2h；
(3)将煅烧后的物料破碎，并通过50目筛后进行二次球磨。球磨桶中粉料：玛瑙球：去离子水的重量比为1:2:0.6，球磨机转速为120转/min，球磨20h后将混合均匀的浆料放入烘箱中，120℃烘干；
(4)将烘干后的粉料充分研磨并过筛，随后加入粉料总重量3％的PVA水溶液，充分研磨过筛；
(5)将过筛后的粉料置入模具中给予一定的压力成型得到胚料，胚料放入高温炉中升温至600℃下保温1～2h排胶；
(6)将排胶完成的胚料放入坩埚中并在高温炉中升温至1200℃保温3h，得到烧成陶瓷；
(7)将烧成陶瓷冷却后放置到低温炉中，按照2℃/min升温速率升温至750℃，保温3h，使陶瓷充分氧化；
(8)将氧化后的陶瓷上下表面丝印中温银浆，在120℃下烘干后在750℃下煅烧1h，得到被银的陶瓷体；
(9)将被银陶瓷放入120～140℃的硅油中，以3kV/mm直流电压极化20min，取出清洗后自然老化24～48h得到压电陶瓷片。
之后，对该压电陶瓷片进行性能测试，得到的结果分别为：D33＝480pC/N，Tc＝380，ε33 T/ε0＝1750，图2为本实施例制备的压电陶瓷断面的扫描电镜图，从图中可以看出本陶瓷晶粒直径约为6um，晶粒生长发育较好、大小均匀且晶界结合致密。
实施例2
本实施例中的钐离子掺杂锆钛酸铅基压电陶瓷材料，其原料组成为：Pb0.98Ba0.015Sr0.005(Zr0.52Ti0.48)O3+0.2wt％Sm2O3，其制备方法包括以下步骤：
(1)按照本实施例的化学计量比计算称量好原料，按照物料添加顺序，将该原料加入到球磨桶中进行球磨。球磨桶中粉料：玛瑙球：去离子水的重量比为1:1.5:0.8，球磨机转速为120转/min，球磨8h后将混合均匀的浆料放入烘箱中，120℃烘干；
(2)将烘干后的粉料研磨过40目筛，过筛后的粉料进行预压，将预成型后的块状料在850℃下煅烧2h；
(3)将煅烧后的物料破碎，并通过50目筛后进行二次球磨。球磨桶中粉料：玛瑙球：去离子水的重量比为1:2:0.6，球磨机转速为120转/min，球磨20h后将混合均匀的浆料放入烘箱中，120℃烘干；
(4)将烘干后的粉料充分研磨并过筛，随后加入粉料总重量3％的PVA水溶液，充分研磨过筛；
(5)将过筛后的粉料置入模具中给予一定的压力成型得到胚料，胚料放入高温炉中升温至600℃下保温1～2h排胶；
(6)将排胶完成的胚料放入坩埚中并在高温炉中升温至1220℃保温3h，得到烧成陶瓷；
(7)将烧成陶瓷冷却后放置到低温炉中，按照2℃/min升温速率升温至750℃，保温3h，使陶瓷充分氧化；
(8)将氧化后的陶瓷上下表面丝印中温银浆，在120℃下烘干后在750℃下煅烧1h，得到被银的陶瓷体；
(9)将被银陶瓷放入120～140℃的硅油中，以3kV/mm直流电压极化20min，取出清洗后自然老化24～48h得到压电陶瓷片；
之后，将陶瓷片进行性能测试，得到的结果分别为：D33＝520pC/N,Tc＝400℃，ε33 T/ε0＝1800。图3为本实施例制备的压电陶瓷断面的扫描电镜图，从图中可以看出本陶瓷晶粒直径约为8um，晶粒生长发育较好、大小均匀且晶界结合致密。
实施例3
本实施例中的钐离子掺杂锆钛酸铅基压电陶瓷材料，其原料组成为：Pb0.98Ba0.015Sr0.005(Zr0.52Ti0.48)O3+0.4wt％Sm2O3，其制备方法包括以下步骤：
(1)按照本实施例的化学计量比计算称量好各原料，按照物料添加顺序，将该原料加入到球磨桶中进行球磨。球磨桶中粉料：玛瑙球：去离子水的重量比为1:1.5:0.8，球磨机转速为120转/min，球磨8h后将混合均匀的浆料放入烘箱中，120℃烘干；
(2)将烘干后的粉料研磨过40目筛，过筛后的粉料进行预压，将预成型后的块状料在850℃下煅烧2h；
(3)将煅烧后的物料破碎，并通过50目筛后进行二次球磨。球磨桶中粉料：玛瑙球：去离子水的重量比为1:2:0.6，球磨机转速为120转/min，球磨20h后将混合均匀的浆料放入烘箱中，120℃烘干；
(4)将烘干后的粉料充分研磨并过筛，随后加入粉料总重量3％的PVA水溶液，充分研磨过筛；
(5)将过筛后的粉料置入模具中给予一定的压力成型得到胚料，胚料放入高温炉中升温至600℃下保温1～2h排胶；
(6)将排胶完成的胚料放入坩埚中并在高温炉中升温至1220℃保温3h，得到烧成陶瓷；
(7)将烧成陶瓷冷却后放置到低温炉中，按照2℃/min升温速率升温至750℃，保温3h，使陶瓷充分氧化；
(8)将氧化后的陶瓷上下表面丝印中温银浆，在120℃下烘干后在750℃下煅烧1h，得到被银的陶瓷体；
(9)将被银陶瓷放入120～140℃的硅油中，以3kV/mm直流电压极化20min，取出清洗后自然老化24～48h得到压电陶瓷片；
之后，将陶瓷片进行性能测试，得到的结果分别为：D33＝510pC/N，Tc＝410℃,ε33 T/ε0＝1820。
实施例4
本实施例中的钐离子掺杂锆钛酸铅基压电陶瓷材料，其原料组成为：Pb0.98Ba0.015Sr0.005(Zr0.52Ti0.48)O3+0.5wt％Sm2O3，其制备方法包括以下步骤：
(1)按照本实施例的化学计量比计算称量好各原料，按照物料添加顺序，将该原料加入到球磨桶中进行球磨。球磨桶中粉料：玛瑙球：去离子水的重量比为1:1.5:0.8，球磨机转速为150转/min，球磨12h后将混合均匀的浆料放入烘箱中，120℃烘干24h；
(2)将烘干后的粉料研磨过60目筛，过筛后的粉料进行预压，预压压强为1.5T/cm2，将预成型后的块状料在900℃下煅烧2h；
(3)将煅烧后的物料破碎，并通过50目筛后进行二次球磨。球磨桶中粉料：玛瑙球：去离子水的重量比为1:2:0.6，球磨机转速为150转/min，球磨20h后将混合均匀的浆料放入烘箱中，120℃烘干；
(4)将烘干后的粉料充分研磨并过筛，随后加入粉料总重量6％的PVA水溶液，充分研磨过筛，其中PVA水溶液的质量百分比浓度为10％；
(5)将过筛后的粉料置入模具中给予一定的压力成型得到胚料，成型压强为2.5T/cm2，胚料放入高温炉中升温至800℃下保温2h排胶；
(6)将排胶完成的胚料放入坩埚中并在高温炉中，按照4℃/min升温速率升温至1260℃保温3h，得到烧成陶瓷；
(7)将烧成陶瓷冷却后放置到低温炉中，按照3℃/min升温速率升温至900℃，保温3h，使陶瓷充分氧化；
(8)将氧化后的陶瓷上下表面丝印中温银浆，在120℃下烘干后在800℃下煅烧2h，得到被银的陶瓷体；
(9)将被银陶瓷放入140℃的硅油中，以4kV/mm直流电压极化20min，取出清洗后自然老化48h得到压电陶瓷片。
实施例5
本实施例中的钐离子掺杂锆钛酸铅基压电陶瓷材料，其原料组成为：Pb0.98Ba0.015Sr0.005(Zr0.52Ti0.48)O3+0.1wt％Sm2O3，其制备方法包括以下步骤：
(1)按照本实施例的化学计量比计算称量好各原料，按照物料添加顺序，将该原料加入到球磨桶中进行球磨。球磨桶中粉料：玛瑙球：去离子水的重量比为1:1.5:0.8，球磨机转速为100转/min，球磨6h后将混合均匀的浆料放入烘箱中，100℃烘干18h；
(2)将烘干后的粉料研磨过40目筛，过筛后的粉料进行预压，预压压强为0.8T/cm2，将预成型后的块状料在700℃下煅烧1h；
(3)将煅烧后的物料破碎，并通过30目筛后进行二次球磨。球磨桶中粉料：玛瑙球：去离子水的重量比为1:2:0.6，球磨机转速为100转/min，球磨20h后将混合均匀的浆料放入烘箱中，120℃烘干；
(4)将烘干后的粉料充分研磨并过筛，随后加入粉料总重量3％的PVA水溶液，充分研磨过筛，其中PVA水溶液的质量百分比浓度为7％；
(5)将过筛后的粉料置入模具中给予一定的压力成型得到胚料，成型压强为1.5T/cm2，胚料放入高温炉中升温至600℃下保温1h排胶；
(6)将排胶完成的胚料放入坩埚中并在高温炉中，按照2℃/min升温速率升温1h，得到烧至1180℃保温成陶瓷；
(7)将烧成陶瓷冷却后放置到低温炉中，按照2℃/min升温速率升温至700℃，保温2h，使陶瓷充分氧化；
(8)将氧化后的陶瓷上下表面丝印中温银浆，在120℃下烘干后在650℃下煅烧1h，得到被银的陶瓷体；
(9)将被银陶瓷放入120℃的硅油中，以3kV/mm直流电压极化15min，取出清洗后自然老化24h得到压电陶瓷片。
实施例6
本实施例中的钐离子掺杂锆钛酸铅基压电陶瓷材料，其原料组成为：Pb0.98Ba0.015Sr0.005(Zr0.52Ti0.48)O3+0.3wt％Sm2O3，其制备方法包括以下步骤：
(1)按照本实施例的化学计量比计算称量好原料，按照物料添加顺序，将该原料加入到球磨桶中进行球磨。球磨桶中粉料：玛瑙球：去离子水的重量比为1:1.5:0.8，球磨机转速为130转/min，球磨10h后将混合均匀的浆料放入烘箱中，110℃烘干20h；
(2)将烘干后的粉料研磨过50目筛，过筛后的粉料进行预压，预压压强为0.8T/cm2，将预成型后的块状料在800℃下煅烧1.5h；
(3)将煅烧后的物料破碎，并通过40目筛后进行二次球磨。球磨桶中粉料：玛瑙球：去离子水的重量比为1:2:0.6，球磨机转速为110转/min，球磨20h后将混合均匀的浆料放入烘箱中，110℃烘干；
(4)将烘干后的粉料充分研磨并过筛，随后加入粉料总重量5％的PVA水溶液，充分研磨过筛，其中PVA水溶液的质量百分比浓度为8％；
(5)将过筛后的粉料置入模具中给予一定的压力成型得到胚料，成型压强为2T/cm2，胚料放入高温炉中升温至700℃下保温1.5h排胶；
(6)将排胶完成的胚料放入坩埚中并在高温炉中，按照3℃/min升温速率升温2h，得到烧至1240℃保温成陶瓷；
(7)将烧成陶瓷冷却后放置到低温炉中，按照2.5℃/min升温速率升温至800℃，保温2.5h，使陶瓷充分氧化；
(8)将氧化后的陶瓷上下表面丝印中温银浆，在120℃下烘干后在750℃下煅烧1.5h，得到被银的陶瓷体；
(9)将被银陶瓷放入130℃的硅油中，以3.5kV/mm直流电压极化18min，取出清洗后自然老化35h得到压电陶瓷片。
本发明对实施例4-6中的陶瓷片进行性能测试后，同样得到了优良的性能结果。而且，本发明还测试了各实施例的陶瓷片在各个温度环境下的稳定性状况，结果表明其在各个温度环境下均可保持优良的稳定性。
综上所述，本发明所制备的钐离子掺杂的锆钛酸铅基压电陶瓷材料相对于常规锆钛酸铅基压电材料的居里温度提升，晶粒生长发育较好、大小均匀且晶界结合致密。本发明的压电陶瓷的居里温度Tc在350℃～420℃，压电场数D33在480～550pC/N，陶瓷片压电常数和电容在高温下具有优良的稳定性，有效地拓宽了锆钛酸铅基压电陶瓷的使用温度范围，且本发明方法简便、成本低、陶瓷压电性能优异稳定。
A11、如A4-A10中任一项所述的制备方法，其中，将所述陶瓷粉体压制成胚料，并进行排胶、高温烧结、低温氧化的步骤包括：将所述陶瓷粉体置入模具中压制成型得到胚料，将胚料放入高温炉中升温至600～800℃，保温1～2h后排胶；将排胶后的胚料放入坩埚中，并在高温炉中按照第一升温速率升温至1180～1260℃后保温1～3h，得到所述烧成陶瓷；以及将所述烧成陶瓷冷却后放置到低温炉中，按照第二升温速率升温至700～900℃后保温2～3h，得到所述氧化后的陶瓷。A12、如A11所述的制备方法，其中，所述陶瓷粉体的成型压强为1.5～2.5T/cm2，所述第一升温速率为2～4℃/min，所述第二升温速率为2～3℃/min。
A13、如A4-A12中任一项所述的制备方法，其中，将所述烧成陶瓷经丝印被银、煅烧、极化的步骤包括：将所述氧化后的陶瓷上下表面丝印被银后烘干、煅烧，得到被银陶瓷体；将所述被银陶瓷体放入硅油中，在直流电压极化一定时间，取出清洗后自然老化，得到所述钐离子掺杂钛锆酸铅基高性能压电陶瓷。A14、如A13所述的方法，其中，煅烧温度为650℃～800℃、煅烧时间为1～2h，硅油温度为120～140℃，直流电压为3～4kV/mm，极化时间为15～20min，自然老化时间为24～48h。
本说明书的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等均应做广义理解。此外，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

Claims (12)

1.一种钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷，其材料具有以下化学通式：Pb0.98Ba0.015Sr0.005(Zr0.52Ti0.48)O3+xwt％Sm2O3，其中0.1≤x≤0.5，wt％表示质量百分比；
其中，所述钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
按照所述化学通式的化学计量比称取Pb2O3、BaCO3、SrCO3、ZrO2、TiO2和Sm2O3，加入去离子水后进行球磨、烘干、过筛、预压、煅烧；
将煅烧后的物料破碎后进行二次球磨、烘干、研磨过筛，得到陶瓷粉体；
将所述陶瓷粉体压制成坯料，并进行排胶、高温烧结、低温氧化后，得到氧化后的陶瓷；以及
将所述氧化后的陶瓷经丝印被银、煅烧、极化后，得到钐离子掺杂锆钛酸铅基压电陶瓷片；
制备方法中各原料的加入顺序为：
先在球磨桶中加入Pb2O3，之后加入BaCO3、SrCO3和Sm2O3，最后加入ZrO2和TiO2。
2.如权利要求1所述的钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷，其中，x＝0.1、0.2或者0.4。
3.如权利要求1所述的钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷，其居里温度为350～420℃，压电常数为480～550pC/N，相对介电系数为1720～1850。
4.如权利要求1所述的钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷的制备方法，其中，所述球磨桶中，总原料：玛瑙球：去离子水的重量比为1:1.5:0.8或者1:2:0.6。
5.如权利要求4所述的制备方法，其中，所述加入去离子水后进行球磨烘干、过筛、预压、煅烧的步骤包括：
将所称取的物料球磨6～12h后烘干，将烘干后的粉料研磨过40～60目筛；
将过筛后的粉料进行预压，并将预成型后的块状料在700～900℃下煅烧。
6.如权利要求5所述的制备方法，其中，
球磨机转速为100～150转/min，烘干温度为100～120℃，烘干时间为18～24h，预压压强为0.8～1.5T/cm2，块状料的煅烧时间为1～2h。
7.如权利要求4-6中任一项所述的制备方法，其中，所述将煅烧后的物料破碎后进行二次球磨、烘干、研磨过筛的步骤包括：
将所述煅烧后的物料破碎后过30～50目筛，并进行二次球磨和烘干；
将烘干后的粉料充分研磨后过筛，并加入PVA水溶液后再次研磨过筛，得到所述陶瓷粉体。
8.如权利要求7所述的制备方法，其中，所述PVA水溶液按照粉料总质量3～6％的比例添加，其中PVA水溶液的质量百分比浓度为7-10％。
9.如权利要求8所述的制备方法，其中，将所述陶瓷粉体压制成坯料，并进行排胶、高温烧结、低温氧化的步骤包括：
将所述陶瓷粉体置入模具中压制成型得到坯料，将坯料放入高温炉中升温至600～800℃，保温1～2h后排胶；
将排胶后的坯料放入坩埚中，并在高温炉中按照第一升温速率升温至1180～1260℃后保温1～3h，得到烧成陶瓷；以及
将所述烧成陶瓷冷却后放置到低温炉中，按照第二升温速率升温至700～900℃后保温2～3h，得到氧化后的陶瓷。
10.如权利要求9所述的制备方法，其中，所述陶瓷粉体的成型压强为1.5～2.5T/cm2，所述第一升温速率为2～4℃/min，所述第二升温速率为2～3℃/min。
11.如权利要求10所述的制备方法，其中，将所述氧化后的陶瓷经丝印被银、煅烧、极化的步骤包括：
将所述氧化后的陶瓷上下表面丝印被银后烘干、煅烧，得到被银陶瓷体；
将所述被银陶瓷体放入硅油中，在直流电压极化一定时间，取出清洗后自然老化，得到所述钐离子掺杂钛锆酸铅基高性能压电陶瓷。
12.如权利要求11所述的方法，其中，煅烧温度为650℃～800℃、煅烧时间为1～2h，硅油温度为120～140℃，直流电压为3～4kV/mm，极化时间为15～20min，自然老化时间为24～48h。
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