CN115073173A - 一种具备超高压电常数的弛豫铁电体pnn-pht材料的制备方法 - Google Patents

一种具备超高压电常数的弛豫铁电体pnn-pht材料的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115073173A
CN115073173A CN202210844665.5A CN202210844665A CN115073173A CN 115073173 A CN115073173 A CN 115073173A CN 202210844665 A CN202210844665 A CN 202210844665A CN 115073173 A CN115073173 A CN 115073173A
Authority
CN
China
Prior art keywords
temperature
powder
pnn
ball
pht
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
Application number
CN202210844665.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115073173B (zh
Inventor
魏永星
闫俊龙
靳长清
张华伟
扈琳
南瑞华
高玲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Technological University
Original Assignee
Xian Technological University
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Technological University filed Critical Xian Technological University
Priority to CN202210844665.5A priority Critical patent/CN115073173B/zh
Publication of CN115073173A publication Critical patent/CN115073173A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115073173B publication Critical patent/CN115073173B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/48Shaped 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
    • C04B35/49Shaped 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
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64Burning or sintering processes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3251Niobium oxides, niobates, tantalum oxides, tantalates, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3255Niobates or tantalates, e.g. silver niobate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/327Iron group oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3279Nickel oxides, nickalates, or oxide-forming salts thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3296Lead oxides, plumbates or oxide forming salts thereof, e.g. silver plumbate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6562Heating rate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567Treatment time
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74Physical characteristics
    • C04B2235/76Crystal structural characteristics, e.g. symmetry
    • C04B2235/768Perovskite structure ABO3
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

本发明公开了一种具备超高压电常数的弛豫铁电体PNN‑PHT材料的制备方法,依次经过配料、预合成、造粒并压坯、排粘、埋烧烧结等步骤制备而成,本发明摒弃了传统的前驱体NiNb2O6和Hf0.3Ti0.7O2合成步骤,不仅使得制备过程简单,易于控制,且对于现有的前驱体制备方法来说,杂相形成更易于控制,过程重复性更高,适用于产业化推广应用,本发明制备的陶瓷材料具有纯相的钙钛矿相结构,材料性能优异,压电常数超过850pC/N,远高于多数的压电材料,平板机电耦合系数高,介电损耗低,去极化温度高。本发明适用于制备弛豫铁电体PNN‑PHT材料。

Description

一种具备超高压电常数的弛豫铁电体PNN-PHT材料的制备 方法
技术领域
本发明属于压电陶瓷材料领域,涉及一种弛豫铁电体陶瓷材料的制备方法,具体涉及一种具备超高压电常数的弛豫铁电体PNN-PHT材料的制备方法。
背景技术
Pb基弛豫铁电陶瓷材料可表现出高压电常数和大电致应变,在医用超声、军用智能传感器等诸多领域有着重要的应用。研究表明,Pb基弛豫铁电陶瓷材料的优越压电性能与准同型相界和独特的畴结构相关。典型的Pb基弛豫钙钛矿陶瓷包括Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)和Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT),其压电常数可达500pC/N。2003年,科研工作者发现,(1-x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-xPb(Hf0.3Ti0.7)O3(PNN-PHT)弛豫铁电陶瓷可表现出高的压电常数(d33=970pC/N,J.Eur.Ceram.Soc.2013,33:2491-2497)。近期,西安交通大学李飞教授通过在PMN-PT引入Sm,获得了压电常数达到1500pC/N的弛豫铁电体(Nat.Mater.2018,17:349.)。
目前,关于Pb基弛豫铁电陶瓷的研究,主要集中在Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3和Pb(Ni1/3Nb2/3)O3基弛豫铁电体系中,相关的研究还存在两个主要难题:
一方面,大多数弛豫铁电陶瓷的压电常数都低于700pC/N,和Pb(Zr1/2Ti1/2)O3陶瓷相当,因此,获得超高压电常数陶瓷,仍然面临巨大的挑战。另一方面,在合成Pb基弛豫铁电陶瓷过程中,经常会引入焦绿石相。要进一步提高压电性能,必须抑制焦绿石相的产生,稳定钙钛矿相,这在制备过程中制备的控制步骤无疑难度是较大的。目前,常见的制备方法是首先合成B晶位前驱体,合成工艺复杂。例如,要获得高质量的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3基弛豫铁电陶瓷,必须首先合成MgNb2O6前驱体;而要获得高质量的Pb(Ni1/3Nb2/3)O3基弛豫铁电陶瓷,则须提前合成NiNb2O6前驱体。
因此,需要对Pb基弛豫铁电体的制备工艺进行不断研究改进,使其产品保持大压电常数、高介电常数、高平板机电耦合系数及低介电损耗,这将是Pb基弛豫铁电体批量生产并进一步应用的关键。
发明内容
本发明旨在提供一种具备超高压电常数的弛豫铁电体PNN-PHT材料的制备方法,依次经过配料、预合成、造粒并压坯、排粘、埋烧烧结等步骤制备而成,方法简单,制备过程易于控制,制备的陶瓷材料具有纯相的钙钛矿相结构,压电常数超过850pC/N,远高于多数的压电材料。
本发明的技术方案如下:
一种具备超高压电常数的弛豫铁电体PNN-PHT材料的制备方法,所述材料的化学组成通式为(1-x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-xPb(Hf0.3Ti0.7)O3,其中:x=0.51或x=0.52,该材料制备过程按照如下的步骤顺序依次进行:
S1、配料
按照材料的化学计量比称取原材料并置于尼龙罐中,其中,PbO:NiO:Nb2O5:HfO2:TiO2=1:(1-x)/3:(1-x)/3:0.3x:0.7x,向尼龙罐中加入玛瑙磨球和酒精,在行星式球磨机上球磨12h,将球磨后的浆料置于恒温干燥箱中于90℃下烘干,得A;
该步骤中,合成PNN-PHT所采用的原材料为电子级化学试剂PbO(>99%)、NiO(>99%)、Nb2O5(>99%)、TiO2(>99%)、HfO2(>99%);
S2、预合成
将A置于氧化铝坩埚中,加盖后置于箱式高温电炉中,于850℃下保温2h进行预合成,之后随炉自然冷却形成预合成粉料,得B;
S3、造粒并压坯
B经粗粉碎后置于球磨罐中,于行星式球磨机上球磨,球磨后的物料于90℃恒温干燥箱中烘干,烘干后的粉料中加入质量浓度为10%的聚乙烯醇粘结剂,粘结剂和烘干后粉料的重量比为1:50,充分混合均匀并过80目筛造粒,造粒完成后,采用液压机将粉末压制成薄圆片素坯,得C;
S4、排粘
C置于箱式高温电炉中于1.5℃/min升温速率下由室温升温至500℃,保温5h进行排粘,之后随炉自然冷却,得D;
S5、埋烧烧结
将D置于箱式高温电炉中,采用埋烧的烧结工艺烧结,得最终的PNN-PHT材料。
本发明的预合成过程是在低于烧结温度的情况下进行烧结,其目的为的是为了进一步合成纯钙钛矿相产物,保证组分的均匀性。
在大量的实验研究过程中发现,只有采用本发明的混合埋烧料才可制备出本发明所述的产品。当单独采用ZrO2或者预合成粉料作为埋烧料进行烧结,制备出的产品性能较差。本发明在制备过程中采用埋烧烧结的方式对预制料进行分阶段烧结,且埋烧料是重量比为1:1的ZrO2和预合成粉料,此过程是较为关键的,埋烧料营造了最佳Pb气氛,通过埋烧可有效抑制PbO的挥发,提高材料的压电性能。
作为本发明的限定:
(一)步骤S5中,所述的埋烧是将D置于混有ZrO2和预合成粉料的氧化铝坩埚中,然后再进行烧结,所述ZrO2和预合成粉料的重量比为1:1。
(二)步骤S5中,所述烧结过程按照如下步骤依次进行:
第一升温阶段,于室温下升温至1050℃,保温1~10h;
第二升温阶段,于1050℃升温至1270℃,保温3h;
降温阶段,于1270℃随炉冷却至室温。
(三)步骤S3中,所述球磨的球料重量比为1:1,球磨时间为12h。
(四)步骤S3中,所述液压机压制的压力为5~10MPa,素坯的厚度为1~3mm。
(五)步骤S1中,磨球和原材料的重量比为1:1。
作为本发明的进一步限定,步骤S5中,所述第一阶段的升温速率为3℃/min,第二阶段的升温速率为2℃/min,每一阶段的升温速率与产品钙钛矿相结构形成、纯度以及杂相的抑制有着较为密切的关系。
本发明的烧结过程采用两阶段烧结法,第一阶段在1050℃中保温一段时间,该过程形成了钙钛矿相,并在该温度下进一步稳定钙钛矿相,抑制焦绿石的产生;第二阶段在1270℃下保温3h,该过程中坯体成瓷并致密化,使其具有优异的压电常数和介电性能。
本发明的上述步骤作为一个整体,各步骤间是息息相关,互相影响的。众所周知,材料的结构与其性能是息息相关的,Pb基弛豫铁电体材料的制备过程中需要避免焦绿石相的产生,这将为其优异的性能奠定基础,而这种结构的形成受到各步骤及制备参数的影响。本发明摒弃了传统的前驱体NiNb2O6和Hf0.3Ti0.7O2合成步骤,不仅使得制备过程简单,易于控制,且对于现有的前驱体制备方法来说,杂相形成更易于控制,整个过程重复性更高。
由于采用本发明上述技术方案后,所取得的有益效果如下:
(1)本发明的制备方法简单,过程易于控制,可重复性高,摒弃了合成前驱体NiNb2O6和Hf0.3Ti0.7O2步骤,周期缩短,该方法适用于产业化推广实施。
(2)本发明制备的陶瓷材料具有纯相的钙钛矿相结构,性能优异,压电常数超过850pC/N,远高于大多数压电材料,具有优异的压电性能,该材料经过检测后其平板机电耦合系数高,介电损耗低,去极化温度高。
本发明适用于制备Pb基弛豫铁电体材料。
下面将结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
说明书附图
图1为本发明实施例1-4中制备的弛豫铁电体的压电性能曲线图;
图2为本发明实施例1-4中制备的弛豫铁电体介电性能与温度的关系曲线图;
图3为本发明实施例1-4中制备的弛豫铁电体的XRD图。
具体实施方式
下述实施例中,所述的试剂如无特殊说明,均采用市售试剂,下述实验方法及检测方法,如无特殊说明均采用现有的实验方法和检测方法。
下述实施例中,球磨过程的转速均为4rad/s。
实施例1
本实施例为一种具备超高压电常数的弛豫铁电体PNN-PHT材料的制备方法,按照如下的步骤顺序依次进行:
S1、根据陶瓷材料化学组成通式0.48Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.52Pb(Hf0.3Ti0.7)O3,按照材料组成化学计量比称量原材料,其中,材料组成化学计量比为PbO:NiO:Nb2O5:HfO2:TiO2=1:0.16:0.16:0.156:0.364;将称量好的原料置于尼龙罐中,磨球和原材料重量比为1:1,向尼龙罐中加入玛瑙磨球和酒精(酒精加入量为尼龙罐体积的30%),在行星式球磨机上球磨12h,以达到充分混合,将混合好的浆料置于恒温干燥箱中于90℃下烘干;
S2、将烘干后的混合粉料放入Al2O3坩锅中,加盖后置于箱式高温电炉中于850℃下保温2h进行预合成,之后随炉自然冷却形成预合成粉料;
S3、预合成粉料经粗粉碎后置于球磨罐中,于行星式球磨机上进行球磨,球料比为1:1,球磨时间为12h,将球磨后的粉料在恒温干燥箱中烘干,在烘干后的粉料中加入质量浓度为10%的聚乙烯醇粘结剂,粘结剂和粉料的重量比为1:50,充分混合均匀并过80目筛造粒,造粒完成后,采用液压机于8MPa压力下将粉末压制成厚度为1.3mm薄圆片素坯;
S4、圆片素坯置于箱式高温电炉中于1.5℃/min升温速率下升温至500℃,保温5h进行排粘,之后随炉自然冷却;
S5、将排粘后的素坯置于箱式高温电炉中,将得到的素坯置于混有ZrO2和预合成粉料的Al2O3坩埚中(ZrO2和预合成粉料的重量比为1:1),采用阶段升温烧结法进行烧结,得到最终的PNN-PHT陶瓷材料,烧结过程如下:
第一升温阶段:于室温下按照3℃/min的速率升温至1050℃,保温1h,
第二升温阶段,于1050℃下按照2℃/min的速率升温至1270℃,保温3h,
降温阶段,于1270℃下随炉冷却至室温。
对本实施例得到的PNN-PHT陶瓷材料进行性能检测,其室温压电常数为720pC/N,见图1所示,对应平板机电耦合系数为0.513。该实施例所得的介电常数、介电损耗与温度关系如图2所示。根据该图可知,其室温下介电常数为5436(1kHz),介电损耗为0.269(1kHz)。该实施例制备得到的产品的XRD见图3,从图中可以得知获得的压电材料为纯的钙钛矿相结构。
实施例2
本实施例为一种具备超高压电常数的弛豫铁电体PNN-PHT材料的制备方法,按照如下的步骤顺序依次进行:
S1、根据陶瓷材料化学组成通式0.48Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.52Pb(Hf0.3Ti0.7)O3,按照材料组成化学计量比称量原材料,其中,材料组成化学计量比为PbO:NiO:Nb2O5:HfO2:TiO2=1:0.16:0.16:0.156:0.364;将称量好的原料置于尼龙罐中,磨球和原材料重量比为1:1,向尼龙罐中加入玛瑙磨球和酒精(酒精加入量为尼龙罐体积的30%),在行星式球磨机上球磨12h,以达到充分混合,将混合好的浆料置于恒温干燥箱中于90℃下烘干;
S2、将烘干后的混合粉料放入Al2O3坩锅中,加盖后置于箱式高温电炉中于850℃下保温2h进行预合成,之后随炉自然冷却形成预合成粉料;
S3、预合成粉料经粗粉碎后置于球磨罐中,于行星式球磨机上进行球磨,球料比为1:1,球磨时间为12h,将球磨后的粉料在恒温干燥箱中烘干,在烘干后的粉料中加入质量浓度为10%的聚乙烯醇粘结剂,粘结剂和粉料的重量比为1:50,充分混合均匀并过80目筛造粒,造粒完成后,采用液压机于8MPa压力下将粉末压制成厚度为1mm薄圆片素坯;
S4、圆片素坯置于箱式高温电炉中于1.5℃/min升温速率下升温至500℃,保温5h进行排粘,之后随炉自然冷却;
S5、将排粘后的素坯置于箱式高温电炉中,将得到的素坯置于混有ZrO2和预合成粉料的Al2O3坩埚中(ZrO2和预合成粉料的重量比为1:1),采用阶段升温烧结法进行烧结,得到最终的PNN-PHT陶瓷材料,烧结过程如下:
第一升温阶段:于室温下按照3℃/min的速率升温至1050℃,保温5h,
第二升温阶段,于1050℃下按照2℃/min的速率升温至1270℃,保温3h,
降温阶段,于1270℃下随炉冷却至室温。
对本实施例得到的PNN-PHT陶瓷材料进行性能检测,其室温压电常数为854pC/N,见图1所示,对应平板机电耦合系数为0.565。该实施例所得的介电常数、介电损耗与温度关系如图2所示。根据该图可知,其室温下介电常数为5482(1kHz),介电损耗为0.026(1kHz)。该实施例制备得到的产品的XRD见图3,从图中可以得知压电材料为纯钙钛矿相结构。
实施例3
本实施例为一种具备超高压电常数的弛豫铁电体PNN-PHT材料的制备方法,按照如下的步骤顺序依次进行:
S1、根据陶瓷材料化学组成通式0.48Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.52Pb(Hf0.3Ti0.7)O3,按照材料组成化学计量比称量原材料,其中,材料组成化学计量比为PbO:NiO:Nb2O5:HfO2:TiO2=1:0.16:0.16:0.156:0.364;将称量好的原料置于尼龙罐中,磨球和原材料重量比为1:1,向尼龙罐中加入玛瑙磨球和酒精(酒精加入量为尼龙罐体积的30%),在行星式球磨机上球磨12h,以达到充分混合,将混合好的浆料置于恒温干燥箱中于90℃下烘干;
S2、将烘干后的混合粉料放入Al2O3坩锅中,加盖后置于箱式高温电炉中于850℃下保温2h进行预合成,之后随炉自然冷却形成预合成粉料;
S3、预合成粉料经粗粉碎后置于球磨罐中,于行星式球磨机上进行球磨,球料比为1:1,球磨时间为12h,将球磨后的粉料在恒温干燥箱中烘干,在烘干后的粉料中加入质量浓度为10%的聚乙烯醇粘结剂,粘结剂和粉料的重量比为1:50,充分混合均匀并过80目筛造粒,造粒完成后,采用液压机于5MPa压力下将粉末压制成厚度为2mm薄圆片素坯;
S4、圆片素坯置于箱式高温电炉中于1.5℃/min升温速率下升温至500℃,保温5h进行排粘,之后随炉自然冷却;
S5、将排粘后的素坯置于箱式高温电炉中,将得到的素坯置于混有ZrO2和预合成粉料的Al2O3坩埚中(ZrO2和预合成粉料的重量比为1:1),采用阶段升温烧结法进行烧结,得到最终的PNN-PHT陶瓷材料,烧结过程如下:
第一升温阶段:于室温下按照3℃/min的速率升温至1050℃,保温10h,
第二升温阶段,于1050℃下按照2℃/min的速率升温至1270℃,保温3h,
降温阶段,于1270℃下随炉冷却至室温。
对本实施例得到的PNN-PHT陶瓷材料进行性能检测,其室温压电常数为754pC/N,见图1所示,对应平板机电耦合系数为0.548。该实施例所得的介电常数、介电损耗与温度关系如图2所示。根据该图可知,其室温下介电常数为5884(1kHz),介电损耗为0.032(1kHz)。该实施例制备得到的产品的XRD图3,从图中可以得知获得的陶瓷材料基本为钙钛矿相结构。
实施例4
本实施例为一种具备超高压电常数的弛豫铁电体PNN-PHT材料的制备方法,按照如下的步骤顺序依次进行:
S1、根据陶瓷材料化学组成通式0.49Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.51Pb(Hf0.3Ti0.7)O3,按照材料组成化学计量比称量原材料,其中,材料组成化学计量比为PbO:NiO:Nb2O5:HfO2:TiO2=1:0.163:0.163:0.141:0.329;将称量好的原料置于尼龙罐中,磨球和原材料重量比为1:1,向尼龙罐中加入玛瑙磨球和酒精(酒精加入量为尼龙罐体积的30%),在行星式球磨机上球磨12h,以达到充分混合,将混合好的浆料置于恒温干燥箱中于90℃下烘干;
S2、将烘干后的混合粉料放入Al2O3坩锅中,加盖后置于箱式高温电炉中于850℃下保温2h进行预合成,之后随炉自然冷却形成预合成粉料;
S3、预合成粉料经粗粉碎后置于球磨罐中,于行星式球磨机上进行球磨,球料比为1:1,球磨时间为12h,将球磨后的粉料在恒温干燥箱中烘干,在烘干后的粉料中加入质量浓度为10%的聚乙烯醇粘结剂,粘结剂和粉料的重量比为1:50,充分混合均匀并过80目筛造粒,造粒完成后,采用液压机于10MPa压力下将粉末压制成厚度为3mm薄圆片素坯;
S4、圆片素坯置于箱式高温电炉中于1.5℃/min升温速率下升温至500℃,保温5h进行排粘,之后随炉自然冷却;
S5、将排粘后的素坯置于箱式高温电炉中,将得到的素坯置于混有ZrO2和预合成粉料的Al2O3坩埚中(ZrO2和预合成粉料的重量比为1:1),采用阶段升温烧结法进行烧结,得到最终的PNN-PHT陶瓷材料,烧结过程如下:
第一升温阶段:于室温下按照3℃/min的速率升温至1050℃,保温5h,
第二升温阶段,于1050℃下按照2℃/min的速率升温至1270℃,保温3h,
降温阶段,于1270℃下随炉冷却至室温。
对本实施例得到的PNN-PHT陶瓷材料进行性能检测,其室温压电常数为822pC/N,见图1所示,对应平板机电耦合系数为0.564。该实施例所得的介电常数、介电损耗与温度关系如图2所示。根据该图可知,其室温下介电常数为5306(1kHz),介电损耗为0.029(1kHz)。该实施例制备得到的产品的XRD见图3,从图中可以得知获得的压电材料为纯钙钛矿相结构。
对比例
不同的烧结过程影响到了最终压电材料的压电性能,本实施例对不同弛豫铁电体PNN-PHT材料制备过程中烧结过程进行了一些列实验探究,具体如下:
A组:产品的制备过程与实施例2相似,不同之处仅在于:烧结过程中不进行埋烧,直接将待烧结的物料置于坩埚中进行高温烧结,坩埚中没有埋烧料。
B组:产品的制备过程与实施例2相似,不同之处仅在于:烧结过程中不进行埋烧,且烧结为一步烧结法,烧结温度为1050℃,保温5h,之后随炉冷却,得最终产品。
C组:产品的制备过程与实施例2相似,不同之处仅在于:烧结过程中不进行埋烧,且烧结为一步烧结法,烧结温度为1270℃,保温3h,之后随炉冷却,得最终产品。
D组:产品的制备过程与实施例2相似,不同之处仅在于:烧结过程为一步烧结法,烧结温度1150℃,保温2h。
E组:产品的制备过程与实施例2相似,不同之处仅在于:埋烧料为ZrO2粉料。
F组:产品的制备过程与实施例2相似,不同之处仅在于:埋烧料为预合成粉料。
G组:产品的制备过程与实施例2相似,不同之处仅在于:埋烧料为ZrO2与预合成粉料按照重量比为2:1混合而成。
H组:产品的制备过程与实施例2相似,不同之处仅在于:埋烧料为ZrO2与预合成粉料按照重量比为1:2混合而成。
下述表格为A-H组所制备的产品的性能比较表。
Figure BDA0003751825270000101
Figure BDA0003751825270000111
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种具备超高压电常数的弛豫铁电体PNN-PHT材料的制备方法,其特征在于,所述材料的化学组成通式为(1-x)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-xPb(Hf0.3Ti0.7)O3,其中:x=0.51或x=0.52,该材料制备过程按照如下的步骤顺序依次进行:
S1、配料
按照材料的化学计量比称取原材料并置于尼龙罐中,其中,PbO:NiO:Nb2O5:HfO2:TiO2=1:(1-x)/3:(1-x)/3:0.3x:0.7x,向尼龙罐中加入玛瑙磨球和酒精,在行星式球磨机上球磨12h,将球磨后的浆料置于恒温干燥箱中于90℃下烘干,得A;
S2、预合成
将A置于氧化铝坩埚中,加盖后置于箱式高温电炉中,于850℃下保温2h进行预合成,之后随炉自然冷却形成预合成粉料,得B;
S3、造粒并压坯
B经粗粉碎后置于球磨罐中,于行星式球磨机上球磨,球磨后的物料于90℃恒温干燥箱中烘干,烘干后的粉料中加入质量浓度为10%的聚乙烯醇粘结剂,粘结剂和烘干后粉料的重量比为1:50,充分混合均匀并过80目筛造粒,造粒完成后,采用液压机将粉末压制成薄圆片素坯,得C;
S4、排粘
C置于箱式高温电炉中于1.5℃/min升温速率下由室温升温至500℃,保温5h进行排粘,之后随炉自然冷却,得D;
S5、埋烧烧结
将D置于箱式高温电炉中,采用埋烧的烧结工艺烧结,得最终的PNN-PHT材料。
2.根据权利要求1所述的一种具备超高压电常数的弛豫铁电体PNN-PHT材料的制备方法,其特征在于:步骤S5中,所述的埋烧是将D置于混有ZrO2和预合成粉料的氧化铝坩埚中,所述ZrO2和预合成粉料的重量比为1:1。
3.根据权利要求1所述的一种具备超高压电常数的弛豫铁电体PNN-PHT材料的制备方法,其特征在于,步骤S5中,所述烧结过程按照如下步骤依次进行:
第一升温阶段,于室温下升温至1050℃,保温1~10h;
第二升温阶段,于1050℃升温至1270℃,保温3h;
降温阶段,于1270℃随炉冷却至室温。
4.根据权利要求3所述的一种具备超高压电常数的弛豫铁电体PNN-PHT材料的制备方法,其特征在于,步骤S5中,所述第一阶段的升温速率为3℃/min,第二阶段的升温速率为2℃/min。
5.根据权利要求1所述的一种具备超高压电常数的弛豫铁电体PNN-PHT材料的制备方法,其特征在于,步骤S3中,所述球磨的球料重量比为1:1,球磨时间为12h。
6.根据权利要求1所述的一种具备超高压电常数的弛豫铁电体PNN-PHT材料的制备方法,其特征在于,步骤S3中,所述液压机压制的压力为5~10MPa,素坯的厚度为1~3mm。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种具备超高压电常数的弛豫铁电体PNN-PHT材料的制备方法,其特征在于,步骤S1中,磨球和原材料的重量比为1:1。
CN202210844665.5A 2022-07-18 2022-07-18 一种具备超高压电常数的弛豫铁电体pnn-pht材料的制备方法 Active CN115073173B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210844665.5A CN115073173B (zh) 2022-07-18 2022-07-18 一种具备超高压电常数的弛豫铁电体pnn-pht材料的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210844665.5A CN115073173B (zh) 2022-07-18 2022-07-18 一种具备超高压电常数的弛豫铁电体pnn-pht材料的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115073173A true CN115073173A (zh) 2022-09-20
CN115073173B CN115073173B (zh) 2023-04-25

Family

ID=83260660

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210844665.5A Active CN115073173B (zh) 2022-07-18 2022-07-18 一种具备超高压电常数的弛豫铁电体pnn-pht材料的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115073173B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130168596A1 (en) * 2011-12-29 2013-07-04 The Pennsylvania State University Pb(Hf,Ti)O3 BASED HIGH PERFORMANCE POLYCRYSTALLINE PIEZOELECTRIC MATERIALS
CN103467089A (zh) * 2013-09-09 2013-12-25 天津大学 一种铌锌铌镍锆钛酸铅压电陶瓷
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

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130168596A1 (en) * 2011-12-29 2013-07-04 The Pennsylvania State University Pb(Hf,Ti)O3 BASED HIGH PERFORMANCE POLYCRYSTALLINE PIEZOELECTRIC MATERIALS
CN103467089A (zh) * 2013-09-09 2013-12-25 天津大学 一种铌锌铌镍锆钛酸铅压电陶瓷
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

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
夏彧顺: "PHT-PNN 三元压电陶瓷的制备和改性研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 *
罗俊等: "烧结温度对0.55Pb(Ni(1/3)Nb(2/3))O3-0.45Pb(Zr0.3Ti0.7)O3压电陶瓷性能的影响", 《功能材料》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115073173B (zh) 2023-04-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bhattacharya et al. Susceptor-assisted enhanced microwave processing of ceramics-a review
CN112919908B (zh) 一种新型钙钛矿结构高熵陶瓷及其制备方法
CN102311266A (zh) 一种铌酸钾钠无铅压电陶瓷材料的制备方法
CN102180665A (zh) 一种钪酸铋—钛酸铅高温压电陶瓷材料及其制备方法
CN112831839B (zh) 一种用于弛豫铁电单晶生长的原料的制备方法
CN111533556B (zh) 一种晶粒取向铌酸锶钠无铅铁电陶瓷的制备方法
CN108640676B (zh) 固相反应法制备焦绿石结构Bi2Ti2O7陶瓷的方法
CN110511018A (zh) 一种高储能密度陶瓷电容器电介质及其制备方法
CN109553413B (zh) 一种织构化压电陶瓷及其制备方法和用途
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
CN114644523A (zh) 一种钙钛矿结构高熵介电陶瓷及其制备方法
CN103304235A (zh) 一种细晶高强度pmn-pzt压电陶瓷材料的生产方法
CN107032790B (zh) 一种应用于能量收集器件的高机电转换复相压电陶瓷材料及制备方法
CN112110722A (zh) 一种微纳米电介质陶瓷材料的制备方法
CN115417670B (zh) 一种在b位进行高熵化设计的高介电常数陶瓷及其制备方法
CN115073173A (zh) 一种具备超高压电常数的弛豫铁电体pnn-pht材料的制备方法
CN110981480A (zh) 一种高Tr-t和Tc的铅基<001>C织构压电陶瓷材料及其制备方法
JP2011219351A (ja) BaTi2O5系複合酸化物およびBaTi2O5系複合酸化物の製造方法
CN110511025B (zh) 一种nn基压电陶瓷的制备方法
CN103172377A (zh) 反应固相生长制备高性能压电陶瓷的方法
KR20220169975A (ko) 배향 무연 압전 세라믹 조성물 및 이의 제조방법
CN106521627A (zh) 一种铌酸钾钠基压电单晶及其制备方法
CN112898020A (zh) 一种平均晶粒尺寸为160nm的铌酸钾钠基纳米细晶陶瓷的制备方法
CN116924796B (zh) 一种abo3型低介电损耗陶瓷及其制备方法
CN115894021B (zh) 一种高机械品质因数硬性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