CN117510198A - 铅基压电陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铅基压电陶瓷及其制备方法。铅基压电陶瓷的制备方法包括如下步骤：提供铅基压电陶瓷坯体；在铅基压电陶瓷坯体的外围设置密封层，得到烧结前驱体；对烧结前驱体进行固相烧结，固相烧结过程中，密封层优先成瓷，将烧结前驱体封闭于所述密封层的内部，得到烧结产物；以及去除密封层，得到铅基压电陶瓷。上述铅基压电陶瓷的制备方法工艺简单，固相烧结过程中，由于密封层优先成瓷，将烧结前驱体封闭于密封层的内部，因而能够抑制铅挥发到空气中，从而避免对人身健康造成危害。本发明还涉及一种采用上述铅基压电陶瓷的制备方法制备得到的铅基压电陶瓷。

Description

铅基压电陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及压电陶瓷技术领域，特别是涉及一种铅基压电陶瓷及其制备方法。
背景技术
长期以来，铅基压电陶瓷以其低廉的成本、简单的制备工艺和优异的压电性能在超声设备、压电驱动器和传感器中有着广泛应用。铅基压电陶瓷的生产制备通常采用传统固相反应法在马弗炉中烧结，烧结温度一般在1100℃～1300℃范围。但是由于氧化铅(PbO)的熔点在880℃附近，压电陶瓷在高温烧结过程中随着烧结时间会有大量的铅挥发，不仅会造成材料化学成分偏移影响其压电性能，同时由于有毒的氧化铅挥发入空气中也会对环境造成严重污染。
为了抑制铅挥发对材料性能的不利影响，通常会在制备压电陶瓷前驱体时过量一定百分比的氧化铅，并在带有盖子的坩埚中埋入一定量的陶瓷粉来弥补挥发掉的铅。然而，仍会有大量的铅挥发到空气中，对人身健康造成危害。
发明内容
基于此，有必要针对如何抑制铅挥发的问题，提供一种铅基压电陶瓷及其制备方法。
一种铅基压电陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
提供铅基压电陶瓷坯体；
在所述铅基压电陶瓷坯体的外围设置密封层，得到烧结前驱体；
对所述烧结前驱体进行固相烧结，固相烧结过程中，所述密封层优先成瓷，将所述烧结前驱体封闭于所述密封层的内部，得到烧结产物；以及
去除所述密封层，得到铅基压电陶瓷。
上述铅基压电陶瓷的制备方法工艺简单，固相烧结过程中，由于密封层优先成瓷，将烧结前驱体封闭于密封层的内部，因而能够抑制铅挥发到空气中，从而避免对人身健康造成危害。
在一个可行的实现方式中，所述密封层包覆于所述铅基压电陶瓷坯体的外表面。
在一个可行的实现方式中，所述密封层的材质包括纳米氧化铝，所述纳米氧化铝的粉体粒径小于等于80nm。
在一个可行的实现方式中，所述密封层的材质还包括助烧剂，所述助烧剂占所述密封层的质量分数为0.1％～5％，所述助烧剂选自SiO2、TiO2、Y2O3、La2O3、CaO、MgO、MnO2、Fe2O3与Sm2O3的至少一种。
在一个可行的实现方式中，所述密封层的厚度为2mm～20mm。
在一个可行的实现方式中，所述密封层包括：
第一坩埚，所述铅基压电陶瓷坯体位于所述第一坩埚的内部；
第二坩埚，套设于所述第一坩埚的外围，且所述第二坩埚与所述第一坩埚之间形成密闭的空间；以及
填充层，位于所述第二坩埚与所述第一坩埚之间形成的密闭空间内。
在一个可行的实现方式中，所述填充层的材质包括纳米氧化铝，所述纳米氧化铝的粉体粒径小于等于80nm。
在一个可行的实现方式中，所述填充层的材质还包括助烧剂，所述助烧剂占所述填充层的质量分数为0.1％～5％，所述助烧剂选自SiO2、TiO2、Y2O3、La2O3、CaO、MgO、MnO2、Fe2O3与Sm2O3的至少一种。
一种铅基压电陶瓷，采用上述任一的铅基压电陶瓷的制备方法制备得到。
上述铅基压电陶瓷采用上述制备方法制备得到，固相烧结过程中，由于密封层优先成瓷，将烧结前驱体封闭于密封层的内部，因而能够抑制铅挥发到空气中，从而避免对人身健康造成危害。
在一个可行的实现方式中，所述铅基压电陶瓷为PZT或者PMN-PT。
附图说明
图1为本发明一实施方式的铅基压电陶瓷的制备方法的流程图；
图2为本发明一实施方式的铅基压电陶瓷的制备方法中铅基压电陶瓷坯体与密封层的示意图；
图3为本发明另一实施方式的铅基压电陶瓷的制备方法中铅基压电陶瓷坯体与密封层的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参见图1，本发明一实施方式的铅基压电陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
S10、提供铅基压电陶瓷坯体。
铅基压电陶瓷坯体可以通过将铅基压电陶瓷粉体经压制成型得到，采用可以常规手段进行压制成型。
S20、在步骤S10得到的铅基压电陶瓷坯体的外围设置密封层，得到烧结前驱体。
步骤S20中，在步骤S10得到的铅基压电陶瓷坯体的外围设置密封层的方式不限，只要铅基压电陶瓷坯体位于密封层的内部，密封层将铅基压电陶瓷坯体包围住即可。
进一步地，本发明的铅基压电陶瓷的制备方法中，铅基压电陶瓷坯体与密封层之间的接触状态不限，铅基压电陶瓷坯体与密封层之间可以完全无间隙，亦可以存在一定的间隙。
S30、对步骤S20得到的烧结前驱体进行固相烧结，固相烧结过程中，密封层优先成瓷，将烧结前驱体封闭于密封层的内部，得到烧结产物。
其中，固相烧结的温度为1100℃～1300℃，固相烧结的温度例如可以为1100℃、1150℃、1200℃、1250℃或者1300℃。
其中，密封层优先成瓷指的是，升温过程中密封层比烧结前驱体优先成瓷，密封层成瓷后形成陶瓷层，能够对烧结前驱体起到密封的作用。因此，当达到烧结前驱体的烧结温度时，密封层能够将挥发的氧化铅(PbO)封闭在材料内部，从而抑制铅向空气中挥发，从而避免对人身健康造成危害。
需要说明的是，密封层的至少部分优先成瓷即可起到密封的作用。
S40、去除密封层，得到铅基压电陶瓷。
可以根据密封层与铅基压电陶瓷之间的连接方式，选择合适的方法去除密封层，例如通过磨掉或者切除的方式去除密封层。
进一步地，本发明的铅基压电陶瓷的制备方法中，可以根据密封层与铅基压电陶瓷之间的连接方式选择具体的实施方式。
请参见图2，本发明一实施方式的铅基压电陶瓷的制备方法中，密封层110包覆于铅基压电陶瓷坯体120的外表面。本实施方式中，密封层110与铅基压电陶瓷坯体120之间完全无间隙。
在前述实施方式的基础上，密封层110的材质包括纳米氧化铝，纳米氧化铝的粉体粒径小于等于80nm。在铅基压电陶瓷的烧结温度附近，纳米氧化铝优先成瓷，所形成的氧化铝陶瓷层起到了密封的作用，将挥发的氧化铅封闭在材料内部，从而抑制铅向空气中挥发。纳米氧化铝的粉体粒径例如可以为80nm、70nm、60nm、50nm、40nm、30nm、20nm、10nm或者5nm。
进一步地，纳米氧化铝的粉体粒径越小，烧结活性越大，烧结的成瓷温度越低。当纳米氧化铝的粉体粒径为80nm时，烧结的成瓷温度为1200℃；当纳米氧化铝的粉体粒径为60nm时，烧结的成瓷温度为1160℃；当纳米氧化铝的粉体粒径为40nm时，烧结的成瓷温度为1110℃；当纳米氧化铝的粉体粒径为20nm时，烧结的成瓷温度为1040℃；当纳米氧化铝的粉体粒径为10nm时，烧结的成瓷温度为970℃；当纳米氧化铝的粉体粒径为5nm时，烧结的成瓷温度为910℃。
在前述实施方式的基础上，密封层110的材质还包括助烧剂，助烧剂占密封层的质量分数为0.1％～5％，助烧剂选自SiO2、TiO2、Y2O3、La2O3、CaO、MgO、MnO2、Fe2O3与Sm2O3的至少一种。当密封层110包括这些种类的助烧剂时，能够进一步降低密封层的成瓷温度。
在前述实施方式的基础上，密封层110的厚度为2mm～20mm。
具体的，本实施方式的铅基压电陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
S11、提供预压制成型的铅基压电陶瓷坯体120。
铅基压电陶瓷坯体120的截面形状为矩形，当然，本发明对铅基压电陶瓷坯体的形状不做限制，还可以为圆柱形等其他形状。
S12、在模具中装入适量的纳米氧化铝粉体，之后将预压制成型的铅基压电陶瓷坯体120放入模具中，之后倒入适量的纳米氧化铝粉体将铅基压电陶瓷坯体120完全包裹住，再将内部包有铅基压电陶瓷坯体120的纳米氧化铝粉体压制成型，脱模形成烧结前驱体，密封层110包覆于铅基压电陶瓷坯体120的外表面，如图2所示。
步骤S12中，模具可以为不锈钢模具或者其他耐高温材质的模具。
步骤S12中，还可以在纳米氧化铝粉体中添加适量助烧剂，助烧剂占密封层的质量分数为0.1％～5％，助烧剂选自SiO2、TiO2、Y2O3、La2O3、CaO、MgO、MnO2、Fe2O3与Sm2O3的至少一种。
S13、对步骤S12得到的烧结前驱体进行固相烧结，固相烧结过程中，纳米氧化铝粉体优先成瓷，即形成氧化铝陶瓷层，将烧结前驱体封闭于氧化铝陶瓷层的内部，得到烧结产物。
步骤S13中，可以在马弗炉中进行固相烧结。固相烧结过程中，可以有效地抑制PbO的挥发。
S14、去除密封层，得到铅基压电陶瓷。
步骤S14中，可以通过磨掉或者切除的方式去除密封层。
上述实施方式的铅基压电陶瓷的制备方法工艺简单，固相烧结过程中，由于密封层优先成瓷，将烧结前驱体封闭于密封层的内部，因而能够抑制铅挥发到空气中，从而避免对人身健康造成危害。
请参见图3，本发明另一实施方式的铅基压电陶瓷的制备方法中，密封层210包括第一坩埚220、第二坩埚230和填充层240。第一坩埚220包括第一坩埚体221和第一坩埚盖222，第二坩埚230包括第二坩埚体231和第二坩埚盖232。
其中，铅基压电陶瓷坯体250位于第一坩埚220的内部。具体的，铅基压电陶瓷坯体250位于第一坩埚体221和第一坩埚盖222围成的空腔内。
其中，第二坩埚230套设于第一坩埚220的外围，且第二坩埚230与第一坩埚220之间形成密闭的空间。其中，填充层240位于第二坩埚230与第一坩埚220之间形成的密闭空间内，如图3所示。
本实施方式中，第一坩埚220和第二坩埚230优选为刚玉坩埚或者SiC坩埚。当然，还可以为其他材质的耐高温坩埚。
在前述实施方式的基础上，填充层240的材质包括纳米氧化铝，纳米氧化铝的粉体粒径小于等于80nm。在铅基压电陶瓷的烧结温度附近，纳米氧化铝优先成瓷，所形成的氧化铝陶瓷层起到了密封的作用，将挥发的氧化铅封闭在材料内部，从而抑制铅向空气中挥发。当纳米氧化铝的粉体粒径小于等于80nm时，填充层的纳米氧化铝的成瓷温度可以降到1200℃以下。
在前述实施方式的基础上，填充层240的材质还包括助烧剂，助烧剂占填充层的质量分数为0.1％～5％，助烧剂选自SiO2、TiO2、Y2O3、La2O3、CaO、MgO、MnO2、Fe2O3与Sm2O3的至少一种。当填充层240包括这些种类的助烧剂时，能够进一步降低填充层240的成瓷温度。
具体的，本实施方式的铅基压电陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
S21、提供预压制成型的铅基压电陶瓷坯体250。
本实施方式中铅基压电陶瓷坯体250的截面形状为矩形，当然，本发明对铅基压电陶瓷坯体的形状不做限制，还可以为圆柱形等其他形状。
S22、将铅基压电陶瓷坯体250放入尺寸略小的第一坩埚220的内部，之后将第一坩埚220放入更大尺寸的第二坩埚230的第二坩埚体231内，再导入适量的纳米氧化铝粉体将第一坩埚220完全盖住，然后施加适当的压力将纳米氧化铝粉体压实，再盖上第二坩埚盖232，纳米氧化铝粉体作为填充层240，得到烧结前驱体。
步骤S12中，还可以在纳米氧化铝粉体中添加适量助烧剂，助烧剂占填充层的质量分数为0.1％～5％，助烧剂选自SiO2、TiO2、Y2O3、La2O3、CaO、MgO、MnO2、Fe2O3与Sm2O3的至少一种。
S23、对步骤S12得到的烧结前驱体进行固相烧结，固相烧结过程中，纳米氧化铝粉体优先成瓷，即形成氧化铝陶瓷层，将烧结前驱体封闭于氧化铝陶瓷层的内部，得到烧结产物。
步骤S23中，可以在马弗炉中进行固相烧结。固相烧结过程中，可以有效地抑制PbO的挥发。
S24、去除密封层，得到铅基压电陶瓷。
步骤S24中，可以通过磨掉或者切除的方式去除密封层。
上述实施方式的铅基压电陶瓷的制备方法工艺简单，固相烧结过程中，由于密封层优先成瓷，将烧结前驱体封闭于密封层的内部，因而能够抑制铅挥发到空气中，从而避免对人身健康造成危害。
一实施方式的铅基压电陶瓷，采用上述任一的铅基压电陶瓷的制备方法制备得到。
在前述实施方式的基础上，铅基压电陶瓷为PZT(钛酸铅-锆酸铅)或者PMN-PT(铌镁酸铅-钛酸铅)。需要说明的是，本发明对铅基压电陶瓷不做限制，可以为任意种类的铅基压电陶瓷。
上述铅基压电陶瓷采用上述制备方法制备得到，固相烧结过程中，由于密封层优先成瓷，将烧结前驱体封闭于密封层的内部，因而能够抑制铅挥发到空气中，从而避免对人身健康造成危害。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种铅基压电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供铅基压电陶瓷坯体；
在所述铅基压电陶瓷坯体的外围设置密封层，得到烧结前驱体；
对所述烧结前驱体进行固相烧结，固相烧结过程中，所述密封层优先成瓷，将所述烧结前驱体封闭于所述密封层的内部，得到烧结产物；以及
去除所述密封层，得到铅基压电陶瓷。
2.根据权利要求1所述的铅基压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述密封层包覆于所述铅基压电陶瓷坯体的外表面。
3.根据权利要求2所述的铅基压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述密封层的材质包括纳米氧化铝，所述纳米氧化铝的粉体粒径小于等于80nm。
4.根据权利要求3所述的铅基压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述密封层的材质还包括助烧剂，所述助烧剂占所述密封层的质量分数为0.1％～5％，所述助烧剂选自SiO2、TiO2、Y2O3、La2O3、CaO、MgO、MnO2、Fe2O3与Sm2O3的至少一种。
5.根据权利要求2所述的铅基压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述密封层的厚度为2mm～20mm。
6.根据权利要求1所述的铅基压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述密封层包括：
第一坩埚，所述铅基压电陶瓷坯体位于所述第一坩埚的内部；
第二坩埚，套设于所述第一坩埚的外围，且所述第二坩埚与所述第一坩埚之间形成密闭的空间；以及
填充层，位于所述第二坩埚与所述第一坩埚之间形成的密闭空间内。
7.根据权利要求6所述的铅基压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述填充层的材质包括纳米氧化铝，所述纳米氧化铝的粉体粒径小于等于80nm。
8.根据权利要求7所述的铅基压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述填充层的材质还包括助烧剂，所述助烧剂占所述填充层的质量分数为0.1％～5％，所述助烧剂选自SiO2、TiO2、Y2O3、La2O3、CaO、MgO、MnO2、Fe2O3与Sm2O3的至少一种。
9.一种铅基压电陶瓷，其特征在于，采用权利要求1～8中任一项所述的铅基压电陶瓷的制备方法制备得到。
10.根据权利要求9所述的铅基压电陶瓷，其特征在于，所述铅基压电陶瓷为PZT或者PMN-PT。
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