CN112028629A - 一种强韧性压电陶瓷及其配方、制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强韧性压电陶瓷及其配方、制作方法,涉及压电陶瓷技术领域，其中公开的配方通过外加第二相特种莫来石纤维的方式来对压电陶瓷进行改进，可达到增韧且保持压电性能的目的。其中公开的流延成型机增加了第二供料斗和排料管，可制得中间具有在两个方向上同时呈波浪状延伸的曲面夹层的压电陶瓷，这种波浪状结构的曲面夹层可以很好的吸收外来能量，提高产品的韧性。其中公开的压电陶瓷制作方法，采用上述改进的流延成型机制作中间曲面夹层的压电陶瓷，同时使用上述压电陶瓷的配方作为曲面夹层的瓷浆，所制得的压电陶瓷具有韧性好、压电性能佳等优点。
Description
技术领域
本发明涉及压电陶瓷技术领域，更具体地说是指一种强韧性压电陶瓷及其配方、制作方法。
背景技术
压电陶瓷自发现之日起就得到了广泛的应用。具有高压电应变常数的压电陶瓷，以其优良的材料特性，其应用前景更加广阔。但是由于陶瓷材料本质的韧性较差，限制了该材料的应用，影响其使用寿命。所以改进材料的脆性就显得尤为重要了。增强具有高压电应变常数的压电陶瓷材料韧性的方式主要有两种。一种是通过原位生长晶须自增韧，另一种是外加晶须/纤维增韧。但自增韧的材料需在晶界处生长出一定长度的晶须，晶须桥联着临近的晶粒，但实际生产过程中工艺很难控制，批量生产一致性很差，无法量产；而外加纤维/晶须增韧的压电材料工艺容易控制，适合量产。但现在已有外加纤维晶须增韧方式中，选用的纤维晶须材料较为普通，并且添加方式也较为简单，对于压电陶瓷的韧性改变还不够。
发明内容
本发明提供的一种强韧性压电陶瓷及其配方、制作方法，其目的在于解决现有技术中存在的上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种压电陶瓷的配方，包括主体成分和附加成分，所述主体成分为PZT系压电陶瓷粉料，PZT基的三元系压电陶瓷粉料或PZT基的多元系压电陶瓷粉料，所述附加成分为莫来石纤维，且莫来石纤维重量为主体成分重量的0.1％～0.8％；所述莫来石纤维的化学成分中，Al2O3含量为72%～77%，SiO2含量为22%～17%，B2O3含量为3%～5%，P2O5含量为1.5%～3.0%，钾钠含量小于0.05%。
进一步，所述主体成分是化学组成为 (Pb0.95Sr0.05)(Zr0.52Ti0.48)O3 或者Pb(Zr0.52Ti0.48)O3的PZT系压电陶瓷粉料。
一种压电陶瓷的制作方法，包括以下步骤：（1）将PZT系压电陶瓷粉料制成瓷浆A；（2）用上述配方制成瓷浆B；（3）使用流延成型机进行成型加工；具体地，在所述流延成型机的输送带上排列设置第一供料斗、第二供料斗、刮刀以及烘干炉，并在第二供料斗的出料口设置一个输送带传送方向开设有条形排料口的排料管，同时使所述排料管沿输送带宽度方向横跨布设于刮刀与第一供料斗的出料口之间；将瓷浆A加入所述第一供料斗，将瓷浆B加入第二供料斗，用该流延成型机进行成型加工，得到瓷条；（4）将成型的瓷条切割成设定尺寸的瓷坯；（5）将瓷坯升温以排除有机物，得到素坯；（6）将素坯烧结得到压电陶瓷。
进一步，所述流延成型机中，将排料管的横截面外轮廓设置为弓形，且弓形的弦倾斜朝向输送带表面。
进一步，所述流延成型机中，条形排料口的横截面轮廓设置为波浪状，且将排料管可上下移动地设置在所述第二供料斗；成型加工时，使排料管在出料的同时上下来回移动。
进一步，所述流延成型机中，将倒U型三通管道可上下移动地设置于第二供料斗，并将倒U型三通管道的上端口套设在第二供料斗的出料口，将倒U型三通管道的两个下端口连接于排料管。
进一步，所述步骤（1）中，所述PZT系压电陶瓷的化学组成为Pb(Zr0.52Ti0.48)O3。
进一步，所述步骤（2）中，根据化学组成(Pb0.95Sr0.05)(Zr0.52Ti0.48)O3配置各原材料粉末，并混合均匀得到混合料；然后将混合料煅烧合成熔块；再将熔块振磨成D50≤1.0μm、Dmax≤6.0μm的PZT系压电陶瓷粉料；在PZT系压电陶瓷粉料中加入胶水、消泡剂和水搅拌制成瓷浆；再以PZT系压电陶瓷粉料的重量为基准，称取0.6wt％的纤维直径为2～7μm，纤维长度为5～50μm所述莫来石纤维加入料浆中搅拌均匀，得到所述瓷浆B。
一种强韧性压电陶瓷，该强韧性压电陶瓷采用上述任一制作方法制得。
由上述对本发明的描述可知，和现有的技术相比，本发明的优点在于：
其一，本发明公开了一种压电陶瓷的配方，其通过外加第二相特种莫来石纤维的方式来对压电陶瓷进行改进，可达到增韧且保持压电性能的目的。
其二，本发明公开了一种压电陶瓷的制作方法，其中使用了改进的流延成型机，增加了第二供料斗和排料管，可制得中间具有在两个方向上同时呈波浪状延伸的曲面夹层的压电陶瓷，这种波浪状结构的曲面夹层可以很好的吸收外来能量，提高产品的韧性。
其三，本发明公开了一种压电陶瓷的制作方法，采用上述改进的流延成型机制作中间曲面夹层的压电陶瓷，同时使用上述压电陶瓷的配方作为曲面夹层的瓷浆，所制得的压电陶瓷具有韧性好、压电性能佳等优点。
附图说明
图1为本发明中，流延成型机的结构示意图。
图2为图1中，A部分的放大示意图。其中，第一供料斗、倒U型三通管和排料管为剖视图。
图3为第一供料斗、第二供料斗、排料管以及驱动装置沿图1中B-B方向的示意图。
图4为条形排料口的横截面轮廓示意图。
图5为压电陶瓷的剖视图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。
一种压电陶瓷的配方，该包括主体成分和附加成分。其中，主体成分为PZT系压电陶瓷粉料，PZT基的三元系压电陶瓷粉料或PZT基的多元系压电陶瓷粉料。
上述附加成分为莫来石纤维，且莫来石纤维重量为主体成分重量的0.1％～0.8％。并且莫来石纤维的化学成分中，Al2O3含量为72%～77%，SiO2含量为22%～17%，B2O3含量为3%～5%，P2O5含量为1.5%～3.0%，钾钠含量小于0.05%。
作为优选，PZT系压电陶瓷粉料的化学组成为 (Pb0.95Sr0.05)(Zr0.52Ti0.48)O3 或者Pb(Zr0.52Ti0.48)O3的PZT系压电陶瓷粉料，但并不局限于此。此外，PZT系压电陶瓷粉料的颗粒大小为D50≤1.0μm、Dmax≤6.0μm 。
作为优选，莫来石纤维重量为主体成分重量的0.4％。莫来石纤维的纤维直径2～7μm，纤维长度5～50μm。
通过研究证实，在外加莫来石纤维作为第二相对PZT系压电陶瓷进行增韧，可达到增韧且保持压电性能的目的。由于这种增韧机制为晶须增韧，可期望对各种系列的压电陶瓷具有类似或接近的增韧效果。
如图1至图4所示，一种流延成型机，主要包括输送带1、第一供料斗2、第二供料斗3、驱动装置4、排料管5、刮刀6以及烘干炉7。其中，第一供料斗2、第二供料斗3、刮刀6以及烘干炉7沿输送带1的传送方向排列设置于输送带1的上方。而输送带1、第一供料斗2、刮刀6和烘干炉7均属于现有流延成型机的常见机械结构，本领域技术人员根据说明书符合结合现有技术进行实施，在此不再赘述。
如图1至图4所示，第二供料斗3的出料口31连通有一朝输送带1的传送方向开设有条形排料口51的排料管5，并且排料管5沿输送带宽度方向横跨布设于刮刀6与第一供料斗2的出料口21之间。作为优选，条形排料口51位于刮刀6的下方。
如图1至图4所示，具体地，排料管5可上下移动地设置于第二供料斗3，并配设有使排料管5上下来回移动的驱动装置4。作为优选，还包括一倒U型三通管道40，该倒U型三通管道40的外侧壁固设有一升降板41，第二供料斗3的外侧壁固设有一套筒42和气缸43，升降板41可上下移动地插设于套筒42，并且升降板41的上端连接于气缸43的活塞杆。同时，倒U型三通管道40的上端口则可上下活动地套设于第二供料斗3的出料口31，倒U型三通管道40的两个下端口则固定连接且连通于排料管5。其中，倒U型三通管道40、升降板41、套筒42以及气缸43即构成驱动装置4，当然，驱动装置4的具体结构不属于此。
如图1至图4所示，作为优选，排料管5的横截面外轮廓呈弓形，且弓形的弦倾斜朝向输送带1的表面。倾斜设置，可以减少排料管5下上移动时的阻力，而弓形弧面朝上弦朝下的设置方式，可以使从料斗口21流出的上层瓷浆在越过弧面后产生较强的下压流动，能生产一定的压实效果。
如图1至图4所示，作为优选，条形排料口51的横截面轮廓呈波浪状。在第一供料斗2和第二供料斗3同时供料并随输送带1向前流动时，由于条形排料口51的波浪状和其上下来回移动，使得从条形排料口51流出的瓷浆在出料口21流出的另一瓷浆的中间，可制得中间具有在两个方向上同时呈波浪状延伸的曲面夹层的压电陶瓷，这种波浪状结构的曲面夹层可以很好的吸收外来能量，提高产品的韧性。
一种压电陶瓷的制作方法，包括以下步骤：
（1）将PZT系压电陶瓷粉料制成瓷浆A。具体地，该步骤（1）中所用的PZT系压电陶瓷的化学组成为Pb(Zr0.52Ti0.48)O3。更具体地，用干法研磨获得满足D50≤1.0μm、Dmax≤6.0μm的各种原材料粉末，然后根据化学组成Pb(Zr0.52Ti0.48)O3配置各原材料粉末，得到混合料；将1∶3质量比将混合料和锆球加入振磨机混合；再取出混合均匀的混合料，放入氧化铝坩埚内，用箱式炉煅烧合成压电陶瓷熔块；待压电陶瓷熔块冷却后取出，粗碎、振磨成D50≤1.0μm、Dmax≤6.0μm的所述PZT系压电陶瓷粉料；在PZT系压电陶瓷粉料中加入胶水、消泡剂和水搅拌制成上述瓷浆A。
（2）用上述压电陶瓷的配方制成瓷浆B。具体地，根据化学组成(Pb0.95Sr0.05)(Zr0.52Ti0.48)O3配置各原材料粉末，并混合均匀得到混合料；然后将混合料煅烧合成熔块；再将熔块振磨成D50≤1.0μm、Dmax≤6.0μm的PZT系压电陶瓷粉料；在PZT系压电陶瓷粉料中加入胶水、消泡剂和水搅拌制成瓷浆；再以PZT系压电陶瓷粉料的重量为基准，称取0.6wt％的纤维直径为2～7μm，纤维长度为5～50μm所述莫来石纤维加入料浆中搅拌均匀，得到所述瓷浆B。
（3）将瓷浆A加入权利要求3所述的流延成型机的第一供料斗，将瓷浆B加入第二供料斗，并启动输送带1、驱动装置4和烘干炉7进行成型加工，得到瓷条。
（4）将成型的瓷条切割成设定尺寸的瓷坯。
（5）将瓷坯升温至700℃～850℃以排除有机物，得到素坯。
（6）将素坯在1100～1300℃下保温烧结得到压电陶瓷。
如图5所示，一种使用上述制作方法制得的强韧性压电陶瓷，包括从上至下依次堆叠的上层101、中间层102和下层103。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (9)
1.一种压电陶瓷的配方，包括主体成分和附加成分，所述主体成分为PZT系压电陶瓷粉料，PZT基的三元系压电陶瓷粉料或PZT基的多元系压电陶瓷粉料，其特征在于：所述附加成分为莫来石纤维，且莫来石纤维重量为主体成分重量的0.1％～0.8％；所述莫来石纤维的化学成分中，Al2O3含量为72%～77%，SiO2含量为22%～17%，B2O3含量为3%～5%，P2O5含量为1.5%～3.0%，钾钠含量小于0.05%。
2.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷的配方，其特征在于：所述主体成分是化学组成为 (Pb0.95Sr0.05)(Zr0.52Ti0.48)O3 或者Pb(Zr0.52Ti0.48)O3的PZT系压电陶瓷粉料。
3.一种压电陶瓷的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）将PZT系压电陶瓷粉料制成瓷浆A；（2）用权利要求1所述的配方制成瓷浆B；（3）使用流延成型机进行成型加工；具体地，在所述流延成型机的输送带上排列设置第一供料斗、第二供料斗、刮刀以及烘干炉，并在第二供料斗的出料口设置一个输送带传送方向开设有条形排料口的排料管，同时使所述排料管沿输送带宽度方向横跨布设于刮刀与第一供料斗的出料口之间；将瓷浆A加入所述第一供料斗，将瓷浆B加入第二供料斗，用该流延成型机进行成型加工，得到瓷条；（4）将成型的瓷条切割成设定尺寸的瓷坯；（5）将瓷坯升温以排除有机物，得到素坯；（6）将素坯烧结得到压电陶瓷。
4.根据权利要求3所述的一种压电陶瓷的制作方法，其特征在于：所述流延成型机中，将排料管的横截面外轮廓设置为弓形，且弓形的弦倾斜朝向输送带表面。
5.根据权利要求3或4所述的一种压电陶瓷的制作方法，其特征在于：所述流延成型机中，条形排料口的横截面轮廓设置为波浪状，且将排料管可上下移动地设置在所述第二供料斗；成型加工时，使排料管在出料的同时上下来回移动。
6.根据权利要求5所述的一种压电陶瓷的制作方法，其特征在于：所述流延成型机中，将倒U型三通管道可上下移动地设置于第二供料斗，并将倒U型三通管道的上端口套设在第二供料斗的出料口，将倒U型三通管道的两个下端口连接于排料管。
7.根据权利要求3所述的一种压电陶瓷的制作方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述PZT系压电陶瓷的化学组成为Pb(Zr0.52Ti0.48)O3。
8.根据权利要求3或7所述的一种压电陶瓷的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中，根据化学组成(Pb0.95Sr0.05)(Zr0.52Ti0.48)O3配置各原材料粉末，并混合均匀得到混合料；然后将混合料煅烧合成熔块；再将熔块振磨成D50≤1.0μm、Dmax≤6.0μm的PZT系压电陶瓷粉料；在PZT系压电陶瓷粉料中加入胶水、消泡剂和水搅拌制成瓷浆；再以PZT系压电陶瓷粉料的重量为基准，称取0.6wt％的纤维直径为2～7μm，纤维长度为5～50μm所述莫来石纤维加入料浆中搅拌均匀，得到所述瓷浆B。
9.一种强韧性压电陶瓷，其特征在于：该强韧性压电陶瓷采用权利要求4-8任一所述的制作方法制得。
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