CN117049877B - 一种电致伸缩陶瓷及其制备方法、电致伸缩装置 - Google Patents

一种电致伸缩陶瓷及其制备方法、电致伸缩装置 Download PDF

Info

Publication number
CN117049877B
CN117049877B CN202311320215.7A CN202311320215A CN117049877B CN 117049877 B CN117049877 B CN 117049877B CN 202311320215 A CN202311320215 A CN 202311320215A CN 117049877 B CN117049877 B CN 117049877B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ceramic
electrostrictive
ball milling
hours
strain
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.)
Active
Application number
CN202311320215.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117049877A (zh
Inventor
郭庆虎
郝华
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.)
Foshan Xianhu Laboratory
Original Assignee
Foshan Xianhu Laboratory
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 Foshan Xianhu Laboratory filed Critical Foshan Xianhu Laboratory
Priority to CN202311320215.7A priority Critical patent/CN117049877B/zh
Publication of CN117049877A publication Critical patent/CN117049877A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117049877B publication Critical patent/CN117049877B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • C04B35/50Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on rare-earth compounds
    • 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
    • C04B35/46Shaped 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 titanium oxides or titanates
    • C04B35/462Shaped 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 titanium oxides or titanates based on 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
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • 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
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/51Metallising, e.g. infiltration of sintered ceramic preforms with molten metal
    • C04B41/5116Ag or Au
    • 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
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81Coating or impregnation
    • C04B41/85Coating or impregnation with inorganic materials
    • C04B41/88Metals
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01Manufacture or treatment
    • H10N30/09Forming piezoelectric or electrostrictive materials
    • H10N30/093Forming inorganic materials
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/85Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853Ceramic compositions
    • H10N30/8536Alkaline earth metal based oxides, e.g. barium titanates
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/85Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853Ceramic compositions
    • H10N30/8542Alkali metal based oxides, e.g. lithium, sodium or potassium niobates
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/85Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853Ceramic compositions
    • H10N30/8548Lead-based oxides
    • 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
    • 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
    • C04B2235/02Composition 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
    • C04B2235/44Metal salt constituents or additives chosen for the nature of the anions, e.g. hydrides or acetylacetonate
    • C04B2235/442Carbonates
    • 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)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

本发明属于功能陶瓷领域,公开了一种电致伸缩陶瓷及其制备方法、电致伸缩装置。电致伸缩陶瓷的化学通式为:Pb(1‑y‑z)PryLiz(Mg1/ 3Nb2/3)(1‑x)TixO3,其中:0.25≤x≤0.35,0.04≤y+z≤0.08,y>0,z>0。本发明选择具有优异的电学性能的PMN‑PT陶瓷为基体,通过Pr和Li复合离子掺杂的方式,在纳米尺度引入大量异质结构,增强陶瓷的弛豫特征,从而完全破坏陶瓷基体中的宏观铁电畴结构,降低不可逆畴壁运动带来的应变滞后系数,制备了高介电常数和高电致伸缩应变的电致伸缩陶瓷。同时,Pr和Li复合离子掺杂,有利于获得稳定钙钛矿结构,进一步提高了材料的电学性能。

Description

一种电致伸缩陶瓷及其制备方法、电致伸缩装置
技术领域
本发明属于功能陶瓷技术领域,尤其涉及一种电致伸缩陶瓷及其制备方法、电致伸缩装置。
背景技术
电致伸缩驱动器可以将电能转化为机械应变,具有位移精度高、响应速度快、抗疲劳、重量轻等优点,被认为是最有潜力的驱动器之一。电致伸缩驱动器的性能与所用电致伸缩材料的电场致应变特性直接相关。相对于逆压电效应在场致应变过程中不可逆畴壁运动而产生高迟滞,电致伸缩材料具有迟滞低、响应快、发热少、功耗低等明显优势,在纳米级驱动器和精密控制技术中发挥着重要作用。电致伸缩的应变S与电致伸缩系数M和电场强度E的平方成正比,即S=ME2。由于电致伸缩效应为机电耦合的二阶应变,其应变远低于相同电场下逆压电效应产生的应变。
尽管在过去的几十年里,研究者对电致伸缩陶瓷进行了大量的研究,但在电致伸缩性能的提高方面却没有取得重大突破。通过组份设计提高弛豫铁电陶瓷的化学和结构的非均质性有利于提高其电致伸缩性能。在前期研究中,相当多的研究采用固溶其它弛豫体的方式来增强弛豫特性。然而,电致伸缩应变的增强通常伴随着高迟滞系数和高驱动电场,这对驱动器在实用过程中的寿命和精度提出了很大的威胁,同时产生的高迟滞也破坏了电致伸缩的固有特性。迄今为止,在不牺牲电致伸缩材料迟滞的情况下实现高电致伸缩应变方面还没有取得显著的突破,这是高性能电致伸缩驱动器商业应用的绊脚石。随着电子元器件的快速发展,对高精密传感器和驱动器的性能提出了更高的要求。
因此,亟需研发一种高性能的电致伸缩陶瓷材料,可同时兼具高介电常数和高电致伸缩应变。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明提出一种电致伸缩陶瓷及其制备方法、电致伸缩装置,所述电致伸缩陶瓷具有高介电常数和高电致伸缩应变。
为解决上述技术问题,本发明的第一方面提供了电致伸缩陶瓷,所述电致伸缩陶瓷的化学通式为:Pb(1-y-z)PryLiz(Mg1/3Nb2/3)(1-x)TixO3,其中:0.25≤x≤0.35,0.04≤y+z≤0.08,y>0,z>0。
具体地,本发明的电致伸缩陶瓷,以铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-钛酸铅PbTiO3(PMN-PT)为基体材料,利用三价镨离子(Pr3+)和一价锂离子(Li+)共同掺杂,取代钙钛矿结构(ABO3)中A位二价铅离子(Pb2+)的位置,以综合掺杂带来的电价不平衡,可获得稳定的钙钛矿结构,避免单一离子大量掺杂产生的杂相(如焦绿石相),从而有利于提高材料的介电常数和电致伸缩性能。同时,采用Pr和Li复合离子掺杂的方式,在局部纳米尺度上引入了大量化学和结构异质性,达到完全破坏其长程有序的铁电畴结构,从而降低不可逆畴壁运动带来的高滞后系数;且大量的异质结构还可协助材料获得高的电致伸缩性能。
优选的,所述y和z的取值范围分别为:0.03≤y≤0.05,0.01≤z≤0.05。
本发明的第二方面提供了一种电致伸缩陶瓷的制备方法,用于制备第一方面所述的电致伸缩陶瓷,包括以下步骤:
(1)将PbO、(MgCO3)4·Mg(OH)2·xH2O、Nb2O5、TiO2、Li2CO3、Pr6O11按化学计量比混合,经球磨、干燥、预烧后,得预烧粉末;
(2)在所述预烧粉末中加入有机粘结剂,依次进行球磨、干燥、过筛、压制成型,得陶瓷生坯;
(3)将所述陶瓷生坯排胶后,进行烧结,得致密陶瓷;
(4)对所述致密陶瓷的表面进行抛光、被银,得所述电致伸缩陶瓷。
具体地,本发明的电致伸缩陶瓷在制备时,先将各原料进行预烧,通过固相烧结的方式使各原料反应获得稳定的具有钙钛矿结构的预烧粉体,以减少后期烧结过程中杂相的产生,为制得高介电常数和电致伸缩性能的陶瓷材料奠定基础。
优选的,步骤(1)中,所述化学计量比与所述化学通式中的化学计量比一致。
优选的,步骤(1)和步骤(2)中,所述球磨的介质为无水乙醇或水。
优选的,步骤(1)和步骤(2)中,所述球磨的物料与介质的质量比为1:(1-2)。
优选的,步骤(1)和步骤(2)中,所述球磨的转速为200-300r/min。
优选的,步骤(1)和步骤(2)中,所述球磨的时间为12-24小时。
优选的,步骤(1)中,所述预烧的温度为800-850℃。
优选的,步骤(1)中,所述预烧的时间为1-2小时。
优选的,步骤(2)中,所述有机粘结剂选自Phoplex溶液。
优选的,步骤(2)中,所述有机粘结剂的添加量为所述预烧粉体的2-4wt%。
优选的,步骤(3)中,所述排胶的温度为550-750℃,以去除所述有机粘结剂。
优选的,步骤(3)中,所述排胶的升温速率为1-2℃/min。
优选的,步骤(3)中,所述排胶的时间为1-2小时。
优选的,步骤(3)中,所述烧结的温度为1180-1250℃。
优选的,步骤(3)中,所述烧结升温速率为2-5℃/min。
优选的,步骤(3)中,所述烧结的时间为1-2小时。
本发明的第三方面提供了一种电致伸缩装置,包括第一方面所述的电致伸缩陶瓷。
优选的,所述电致伸缩装置为微位移驱动器或高精密传感器。
本发明的上述技术方案相对于现有技术,至少具有如下技术效果或优点:
(1)本发明选择具有优异的电学性能的PMN-PT陶瓷为基体,通过Pr和Li复合离子掺杂的方式,在纳米尺度引入大量异质结构,增强陶瓷的弛豫特征,从而完全破坏PMN-PT陶瓷中的宏观铁电畴结构,降低不可逆畴壁运动带来的应变滞后系数,制备了高介电常数和高电致伸缩应变的电致伸缩陶瓷。同时,三价Pr离子和一价Li离子复合掺杂共同取代二价的Pb离子,有利于获得稳定的钙钛矿结构,避免单一离子大量掺杂产生的杂相(如焦绿石相),进一步提高了材料的电学性能。
(2)本发明的电致伸缩陶瓷,其电滞伸缩率可达0.155-0.180%,室温介电常数ε33可达14380-17900,适用于微位移驱动器或高精密传感器。
附图说明
图1是实施例1制得的电致伸缩陶瓷的XRD图;
图2是实施例1制得的电致伸缩陶瓷的介温谱图;
图3是实施例1制得的电致伸缩陶瓷的电滞回线图;
图4是实施例1制得的电致伸缩陶瓷的电致伸缩应变图;
图5是实施例2制得的电致伸缩陶瓷的电致伸缩应变图;
图6是实施例3制得的电致伸缩陶瓷的电致伸缩应变图;
图7是实施例4制得的电致伸缩陶瓷的电致伸缩应变图;
图8是对比例1制得的电致伸缩陶瓷的介温谱图;
图9是对比例1制得的电致伸缩陶瓷的电滞回线图;
图10是对比例1得到的电致伸缩陶瓷的场致应变图;
图11是对比例2得到的电致伸缩陶瓷的场致应变图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行具体描述,以便于所属技术领域的人员对本发明的理解。有必要在此特别指出的是,实施例只是用于对本发明做进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,所属领域技术熟练人员,根据上述发明内容对本发明作出的非本质性的改进和调整,应仍属于本发明的保护范围。同时下述所提及的原料未详细说明的,均为市售产品;未详细提及的工艺步骤或制备方法均为本领域技术人员所知晓的工艺步骤或制备方法。
实施例1
一种电致伸缩陶瓷,其化学式为:Pb0.95Pr0.04Li0.01(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3。该电致伸缩陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
(1)按化学式Pb0.95Pr0.04Li0.01(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3的化学计量比称取PbO、(MgCO3)4·Mg(OH)2·xH2O、Nb2O5、TiO2、Li2CO3和Pr6O11,然后将各原料放入球磨罐中进行球磨12小时(球磨的介质为无水乙醇,物料与无水乙醇的质量比为1:1),再放入100℃烘箱中干燥,最后放入氧化铝坩埚中,并在850℃预烧2小时,得到预烧粉体;
(2)在步骤(1)制得的预烧粉体中加入Rhoplex粘结剂(粘结剂添加量为预烧粉体质量的4wt%),然后放入球磨罐中进行球磨12小时(球磨的介质为无水乙醇,物料与无水乙醇的质量比为1:1),再放入100℃烘箱中干燥,最后放入玛瑙研钵中研磨,过筛后压制成型,得到陶瓷生坯;
(3)将步骤(2)制得的陶瓷生坯放入马弗炉中,以1℃/min速率升温至600℃并保温2小时,去除粘结剂;然后以2℃/min速率升温至1250℃,保温2小时,自然降温后,得到致密陶瓷;
(4)将步骤(3)制得的致密陶瓷打磨抛光至1mm厚度,然后将抛光后的致密陶瓷的两侧表面进行被银,得到本实施例的电致伸缩陶瓷样品。
性能测试与表征:
(1)将实施例1制得的电致伸缩陶瓷样品研磨成粉体,并对其进行X射线衍射(XRD)表征,结果如图1所示,其中:图1的横坐标“2θ”表示衍射角度,纵坐标“Intensity”表示衍射强度。从图1中可以看出,该样品为单一的钙钛矿结构,没有产生焦绿石相或其它杂相,同时也表明掺杂离子已经进入陶瓷的晶格内部。
(2)将实施例1制得的电致伸缩陶瓷样品进行介温性能测试,结果如图2所示,其中:图2的横坐标“Temperature”表示测试温度,纵坐标“Dielectric constant”表示相对介电常数。从图2中可以看出,介电常数随着温度的升高呈现出先增加后减小的趋势,且在1kHz的室温下介电常数为16700,介电常数呈现出较强的介电弛豫特性。
(3)将实施例1制得的电致伸缩陶瓷样品进行铁电性能测试,其电滞回线如图3所示,其中:图3的横坐标“Electric field”表示施加的电场,纵坐标“Polarization”表示极化值。从图3可以看出,其电滞回线曲线均呈现出苗条的形状,并伴随着低的剩余极化为1μC/cm2,表明其宏观铁电畴的消失。
(4)将实施例1制得的电致伸缩陶瓷样品进行电致伸缩应变性能测试,结果如图4所示,其中:图4的横坐标“Electric field”表示施加的电场,纵坐标“Strain”表示应变。从图4可以看出,在不同的电压下,其应变曲线均呈现出无滞后的电致伸缩曲线,在驱动器的应用中可以展示出高精度的特点。电致伸缩应变随着驱动电场的升高而增加,电致伸缩应变最高为0.180%,远高于普通电致伸缩材料。
实施例2
一种电致伸缩陶瓷,其化学式为:Pb0.92Pr0.04Li0.04(Mg1/3Nb2/3)0.68Ti0.32O3。该电致伸缩陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
(1)按化学式Pb0.92Pr0.04Li0.04(Mg1/3Nb2/3)0.68Ti0.32O3的化学计量比称取PbO、(MgCO3)4·Mg(OH)2·xH2O、Nb2O5、TiO2、Li2CO3和Pr6O11,然后将各原料放入球磨罐中进行球磨18小时(球磨的介质为无水乙醇,物料与无水乙醇的质量比为1:1),再放入100℃烘箱中干燥,最后放入氧化铝坩埚中,并在850℃预烧1.5小时,得到预烧粉体;
(2)在步骤(1)制得的预烧粉体中加入Rhoplex粘结剂(粘结剂添加量为预烧粉体质量的3wt%),然后放入球磨罐中进行球磨18小时(球磨的介质为无水乙醇,物料与无水乙醇的质量比为1:1),再放入100℃烘箱中干燥,最后放入玛瑙研钵中研磨,过筛后压制成型,得到陶瓷生坯;
(3)将步骤(2)制得的陶瓷生坯放入马弗炉中,以2℃/min速率升温至700℃并保温1小时,去除粘结剂;然后以5℃/min速率升温至1220℃,保温2小时,自然降温后,得到致密陶瓷;
(4)将步骤(3)制得的致密陶瓷打磨抛光至1mm厚度,然后将抛光后的致密陶瓷的两侧表面进行被银,得到本实施例的电致伸缩陶瓷样品。
性能测试:
(1)将实施例2制得的电致伸缩陶瓷样品进行介温性能测试,其在1kHz的室温下介电常数为14380。
(2)将实施例2制得的电致伸缩陶瓷样品进行电致伸缩应变性能测试,结果如图5所示,其电致伸缩应变最高为0.168%。
实施例3
一种电致伸缩陶瓷,其化学式为:Pb0.92Pr0.03Li0.05(Mg1/3Nb2/3)0.73Ti0.27O3。该电致伸缩陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
(1)按化学式Pb0.92Pr0.03Li0.05(Mg1/3Nb2/3)0.73Ti0.27O3的化学计量比称取PbO、(MgCO3)4·Mg(OH)2·xH2O、Nb2O5、TiO2、Li2CO3和Pr6O11,然后将各原料放入球磨罐中进行球磨24小时(球磨的介质为无水乙醇,物料与无水乙醇的质量比为1:1),再放入100℃烘箱中干燥,最后放入氧化铝坩埚中,并在820℃预2小时,得到预烧粉体;
(2)在步骤(1)制得的预烧粉体中加入Rhoplex粘结剂(粘结剂添加量为预烧粉体质量的2wt%),然后放入球磨罐中进行球磨24小时(球磨的介质为无水乙醇,物料与无水乙醇的质量比为1:1),再放入100℃烘箱中干燥,最后放入玛瑙研钵中研磨,过筛后压制成型,得到陶瓷生坯;
(3)将步骤(2)制得的陶瓷生坯放入马弗炉中,以2℃/min速率升温至750℃并保温2小时,去除粘结剂;然后以5℃/min速率升温至1250℃,保温2小时,自然降温后,得到致密陶瓷;
(4)将步骤(3)制得的致密陶瓷打磨抛光至1mm厚度,然后将抛光后的致密陶瓷的两侧表面进行被银,得到本实施例的电致伸缩陶瓷样品。
性能测试:
(1)将实施例3制得的电致伸缩陶瓷样品进行介温性能测试,其在1kHz的室温下介电常数为12360。
(2)将实施例3制得的电致伸缩陶瓷样品进行电致伸缩应变性能测试,结果如图6所示,其电致伸缩应变最高为0.155%。
实施例4
一种电致伸缩陶瓷,其化学式为:Pb0.94Pr0.05Li0.01(Mg1/3Nb2/3)0.68Ti0.32O3。该电致伸缩陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
(1)按化学式Pb0.94Pr0.05Li0.01(Mg1/3Nb2/3)0.68Ti0.32O3的化学计量比称取PbO、(MgCO3)4·Mg(OH)2·xH2O、Nb2O5、TiO2、Li2CO3和Pr6O11,然后将各原料放入球磨罐中进行球磨12小时(球磨的介质为无水乙醇,物料与无水乙醇的质量比为1:1),再放入100℃烘箱中干燥,最后放入氧化铝坩埚中,并在800℃预2小时,得到预烧粉体;
(2)在步骤(1)制得的预烧粉体中加入Rhoplex粘结剂(粘结剂添加量为预烧粉体质量的4wt%),然后放入球磨罐中进行球磨12小时(球磨的介质为无水乙醇,物料与无水乙醇的质量比为1:1),再放入100℃烘箱中干燥,最后放入玛瑙研钵中研磨,过筛后压制成型,得到陶瓷生坯;
(3)将步骤(2)制得的陶瓷生坯放入马弗炉中,以2℃/min速率升温至550℃并保温2小时,去除粘结剂;然后以2℃/min速率升温至1180℃,保温2小时,自然降温后,得到致密陶瓷;
(4)将步骤(3)制得的致密陶瓷打磨抛光至1mm厚度,然后将抛光后的致密陶瓷的两侧表面进行被银,得到本实施例的电致伸缩陶瓷样品。
性能测试:
(1)将实施例4制得的电致伸缩陶瓷样品进行介温性能测试,其在1kHz的室温下介电常数为17900。
(2)将实施例4制得的电致伸缩陶瓷样品进行电致伸缩应变性能测试,结果如图7所示,其电致伸缩应变最高为0.166%。
对比例1
一种场致应变陶瓷,其化学式为:Pb(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3。该场致应变陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
(1)按化学式Pb(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3的化学计量比称取PbO、(MgCO3)4·Mg(OH)2·xH2O、Nb2O5、TiO2,然后将各原料放入球磨罐中进行球磨12小时(球磨的介质为无水乙醇,物料与无水乙醇的质量比为1:1),再放入100℃烘箱中干燥,最后放入氧化铝坩埚中,并在850℃预烧2小时,得到预烧粉体;
(2)在步骤(1)制得的预烧粉体中加入Rhoplex粘结剂(粘结剂添加量为预烧粉体质量的4wt%),然后放入球磨罐中进行球磨12小时(球磨的介质为无水乙醇,物料与无水乙醇的质量比为1:1),再放入100℃烘箱中干燥,最后放入玛瑙研钵中研磨,过筛后压制成型,得到陶瓷生坯;
(3)将步骤(2)制得的陶瓷生坯放入马弗炉中,以1℃/min速率升温至600℃并保温2小时,去除粘结剂;然后以2℃/min速率升温至1250℃,保温2小时,自然降温后,得到致密陶瓷;
(4)将步骤(3)制得的致密陶瓷打磨抛光至1mm厚度,然后将抛光后的致密陶瓷的两侧表面进行被银,得到本对比例的场致应变陶瓷样品。
性能测试:
(1)将对比例1制得的场致应变陶瓷样品进行介温性能测试,结果如图8所示。从图8中可以看出,介电常数随着温度的升高呈现出先增加后减小的趋势,且在1kHz的室温下介电常数为2180,介电常数呈现出较弱的介电弛豫特性。
(2)将对比例1制得的场致应变陶瓷样品进行铁电性能测试,其电滞回线如图9所示。从图9可以看出,在20kV/cm的电场下呈现出标准的电滞回线曲线,并伴随着高的剩余极化为32 μC/cm2,表明具有较强的自发极化,具有较多的宏观铁电畴。
(3)将对比例1制得的场致应变陶瓷样品进行场致应变性能测试,结果如图10所示。由图10可以看出,该样品呈现出蝴蝶状的场致应变曲线,具有较高的应变滞后。其场致应变为0.12%,不仅低于实施例1,而且应变滞后系数也远高于实施例1。通过与实施例1进行对比可以看出,宏观铁电畴向微观纳米畴的转变是导致较高电致伸缩性能的主要原因。
对比例2
一种场致应变陶瓷,其化学式为:Pb0.98Pr0.02(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3。该场致应变陶瓷的制备方法,包括以下步骤:
(1)按化学式Pb0.98Pr0.02(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3的化学计量比称取PbO、(MgCO3)4·Mg(OH)2·xH2O、Nb2O5、TiO2和Pr6O11,然后将各原料放入球磨罐中进行球磨12小时(球磨的介质为无水乙醇,物料与无水乙醇的质量比为1:1),再放入100℃烘箱中干燥,最后放入氧化铝坩埚中,并在850℃预烧2小时,得到预烧粉体;
(2)在步骤(1)制得的预烧粉体中加入Rhoplex粘结剂(粘结剂添加量为预烧粉体质量的4wt%),然后放入球磨罐中进行球磨12小时(球磨的介质为无水乙醇,物料与无水乙醇的质量比为1:1),再放入100℃烘箱中干燥,最后放入玛瑙研钵中研磨,过筛后压制成型,得到陶瓷生坯;
(3)将步骤(2)制得的陶瓷生坯放入马弗炉中,以1℃/min速率升温至600℃并保温2小时,去除粘结剂;然后以2℃/min速率升温至1250℃,保温2小时,自然降温后,得到致密陶瓷;
(4)将步骤(3)制得的致密陶瓷打磨抛光至1mm厚度,然后将抛光后的致密陶瓷的两侧表面进行被银,得到本对比例的场致应变陶瓷样品。
性能测试:
(1)将对比例2制得的场致应变陶瓷样品进行介温性能测试,其在1kHz的室温下介电常数为6020。
(2)将对比例2制得的场致应变陶瓷样品进行场致应变性能测试,测试结果如图11所示。从图11可以看出,该样品呈现出蝴蝶状的场致应变曲线,其场致应变为0.136%,具有较大的应变滞后系数。通过与对比例5和实施例1进行对比,可以看出,虽然通过少量的Pr掺杂可以改善场致应变性能,但是其场致应变性能仍具有较高的应变滞后系数,不能满足低滞后电致伸缩应用的需求。
对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演或替换,而不必经过创造性的劳动。因此,本领域技术人员根据本发明的揭示,对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。上述实施例为本发明的优选实施例,凡与本发明类似的工艺及所作的等效变化,均应属于本发明的保护范畴。

Claims (8)

1.一种电致伸缩陶瓷,其特征在于,所述电致伸缩陶瓷的化学通式为:Pb(1-y-z)PryLiz(Mg1/3Nb2/3)(1-x)TixO3,其中:0.25≤x≤0.35,0.04≤y+z≤0.08,0.03≤y≤0.05,0.01≤z≤0.05。
2.权利要求1所述的电致伸缩陶瓷的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将PbO、(MgCO3)4·Mg(OH)2·xH2O、Nb2O5、TiO2、Li2CO3、Pr6O11按化学计量比混合,经球磨、干燥、预烧后,得预烧粉末;所述化学计量比与所述化学通式中的化学计量比一致;
(2)在所述预烧粉末中加入有机粘结剂,依次进行球磨、干燥、过筛、压制成型,得陶瓷生坯;
(3)将所述陶瓷生坯排胶后,进行烧结,得致密陶瓷;
(4)对所述致密陶瓷的表面进行抛光、被银,得所述电致伸缩陶瓷。
3.根据权利要求2所述的电致伸缩陶瓷的制备方法,其特征在于,步骤(1)和步骤(2)中,所述球磨的介质为无水乙醇或水,所述球磨的转速为200-300r/min,所述球磨的时间为12-24小时。
4.根据权利要求2所述的电致伸缩陶瓷的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述预烧的温度为800-850℃,所述预烧的时间为1-2小时。
5.根据权利要求2所述的电致伸缩陶瓷的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述有机粘结剂的添加量为所述预烧粉末的2-4wt%。
6.根据权利要求2所述的电致伸缩陶瓷的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述排胶的温度为550-750℃,所述排胶的时间为1-2小时。
7.根据权利要求2所述的电致伸缩陶瓷的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述烧结的温度为1180-1250℃,所述烧结的时间为1-2小时。
8.一种电致伸缩装置,其特征在于,包括权利要求1所述的电致伸缩陶瓷。
CN202311320215.7A 2023-10-12 2023-10-12 一种电致伸缩陶瓷及其制备方法、电致伸缩装置 Active CN117049877B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311320215.7A CN117049877B (zh) 2023-10-12 2023-10-12 一种电致伸缩陶瓷及其制备方法、电致伸缩装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311320215.7A CN117049877B (zh) 2023-10-12 2023-10-12 一种电致伸缩陶瓷及其制备方法、电致伸缩装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117049877A CN117049877A (zh) 2023-11-14
CN117049877B true CN117049877B (zh) 2024-01-09

Family

ID=88661310

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311320215.7A Active CN117049877B (zh) 2023-10-12 2023-10-12 一种电致伸缩陶瓷及其制备方法、电致伸缩装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117049877B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1142475A (zh) * 1995-08-04 1997-02-12 中国科学院上海硅酸盐研究所 掺镧铌酸铅基电致伸缩陶瓷材料
CN101544494A (zh) * 2008-03-18 2009-09-30 日本碍子株式会社 压电/电致伸缩陶瓷组合物
CN101805185A (zh) * 2010-03-19 2010-08-18 江苏工业学院 一种制备铌镁酸铅钛酸铅弛豫铁电陶瓷的方法
CN111133597A (zh) * 2017-09-01 2020-05-08 Trs技术股份有限公司 极性纳米工程化的弛豫PbTiOi铁电晶体
CN113563076A (zh) * 2021-07-23 2021-10-29 华南理工大学 一种高场致应变温度稳定性弛豫铁电陶瓷及其制备方法
CN114349506A (zh) * 2022-01-07 2022-04-15 森霸传感科技股份有限公司 一种低损耗高介电常数铌镁酸铅-钛酸铅介质陶瓷材料制备方法及其应用
CN115894020A (zh) * 2022-12-23 2023-04-04 佛山仙湖实验室 一种高压电系数的pmnzt基压电陶瓷及其制备方法和应用

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1142475A (zh) * 1995-08-04 1997-02-12 中国科学院上海硅酸盐研究所 掺镧铌酸铅基电致伸缩陶瓷材料
CN101544494A (zh) * 2008-03-18 2009-09-30 日本碍子株式会社 压电/电致伸缩陶瓷组合物
CN101805185A (zh) * 2010-03-19 2010-08-18 江苏工业学院 一种制备铌镁酸铅钛酸铅弛豫铁电陶瓷的方法
CN111133597A (zh) * 2017-09-01 2020-05-08 Trs技术股份有限公司 极性纳米工程化的弛豫PbTiOi铁电晶体
CN113563076A (zh) * 2021-07-23 2021-10-29 华南理工大学 一种高场致应变温度稳定性弛豫铁电陶瓷及其制备方法
CN114349506A (zh) * 2022-01-07 2022-04-15 森霸传感科技股份有限公司 一种低损耗高介电常数铌镁酸铅-钛酸铅介质陶瓷材料制备方法及其应用
CN115894020A (zh) * 2022-12-23 2023-04-04 佛山仙湖实验室 一种高压电系数的pmnzt基压电陶瓷及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Large electrostrictive effect and high energy storage performance of Pr3+-doped PIN-PMN-PT multifunctional ceramics in the ergodic relaxor phase;Xudong Qi等;Journal of the European Ceramic Society;第39卷(第14期);第4060-4069页 *
锂盐助烧铌镁酸铅-钛酸铅陶瓷的压电性能;曹林洪等;硅酸盐学报;第36卷(第6期);第756--759,764页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN117049877A (zh) 2023-11-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109734447B (zh) 具有优异温度稳定性的无铅织构化陶瓷及其制备方法
CN111302797B (zh) 一种铌酸钾钠基无铅压电陶瓷及其制备方法
CN106554202B (zh) 一种铋层状结构钛酸铋钠高温压电陶瓷材料及其制备方法
CN109626988B (zh) 高压电响应和高居里温度的压电陶瓷材料及其制备方法
CN102180665A (zh) 一种钪酸铋—钛酸铅高温压电陶瓷材料及其制备方法
CN107253858B (zh) 具有超高压电响应的无铅压电陶瓷材料及制备方法
CN108546125B (zh) 一种面向高温环境应用的压电陶瓷材料及其制备方法
CN102503413A (zh) 一种织构化的(1-x-y)BNT-xBKT-yKNN陶瓷材料及其制备方法
Wang et al. Pb (In1/2Nb1/2) O3-PbZrO3-PbTiO3 ternary ceramics with temperature-insensitive and superior piezoelectric property
CN108585852B (zh) 一种镨掺杂铌铟镁酸铅-钛酸铅发光压电陶瓷、制备方法及其应用
CN109796205A (zh) 一种铋层状结构钛钽酸铋高温压电陶瓷材料及其制备方法
CN110981468A (zh) 一种钛酸铋钠基压电陶瓷的制备方法
CN114436654B (zh) 具有高相变温度、优异抗疲劳性和高机电性能的弛豫铁电铅基陶瓷材料及制备方法和应用
CN102731107A (zh) 一种掺Mn的钛酸铋钠-钛酸钡薄膜的制备方法
CN102775142B (zh) 一种无铅电致伸缩陶瓷材料及其制备方法
CN104529447B (zh) 铋层状复合结构压电陶瓷材料及其制备方法
CN115894020B (zh) 一种高压电系数的pmnzt基压电陶瓷及其制备方法和应用
CN117049877B (zh) 一种电致伸缩陶瓷及其制备方法、电致伸缩装置
CN113213918A (zh) 兼具高压电性能和低损耗的钛酸锶铋—钪酸铋—钛酸铅系高温压电陶瓷材料及其制备方法
WO2006093043A1 (ja) 積層型圧電体素子
KR101349335B1 (ko) 센서 및 액추에이터용 비납계 압전 세라믹
KR100801477B1 (ko) 무연 세라믹스 및 그의 제조방법
Juan et al. (Na0. 52K0. 44Li0. 04) Nb0. 9-xSbxTa0. 1O3 Lead-Free Piezoelectric Ceramics with High Performance and High Curie Temperature
Niemiec et al. Effect of various sintering methods on the properties of PZT-type ceramics
CN102584230B (zh) 一种高压电系数、高电致应变低温烧结的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