專利名稱：摻雜鈮錳酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種摻雜鈮錳酸鉛—鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料及其制備工藝，屬于壓電陶瓷材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自從Jaffe于1958年發(fā)現(xiàn)PZT壓電陶瓷的高壓電性能以來，PZT已廣泛應(yīng)用于許多壓電器件之中，隨著大功率壓電器件如超聲清洗、壓電變壓器等的發(fā)展，又對壓電陶瓷的性能及制備工藝提出了更高的要求要求材料具有高的機(jī)電耦合系數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因子、低的損耗角正切、較高的機(jī)械強(qiáng)度，這樣可保證器件在諧振狀態(tài)工作時(shí)效率高，同時(shí)可使之在交變的伸縮力場和熱場下不致疲勞損壞及性能惡化。另外，眾所周知，PZT系壓電陶瓷的燒結(jié)溫度范圍在1200～1300℃，PbO的飽和蒸汽壓較高，因此高溫時(shí)PbO揮發(fā)嚴(yán)重，會導(dǎo)致材料的成分偏離化學(xué)計(jì)量比，且污染環(huán)境、消耗能量。近年來，多層器件的出現(xiàn)對中、低溫?zé)Y(jié)提出迫切要求，為了能用價(jià)廉的Ag或Ag-Pd漿料做內(nèi)電極，也必須實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷材料本身的中、低溫?zé)Y(jié)。
針對中、低溫?zé)Y(jié)的實(shí)驗(yàn)研究，國內(nèi)外開展的較多，一般有三種方式第一種方式是添加助熔劑通過形成液相燒結(jié)來降低燒結(jié)溫度，但晶界的殘留相會導(dǎo)致壓電性能的惡化。第二種方式是通過化學(xué)法制備超細(xì)粉料降低燒結(jié)溫度，缺點(diǎn)是成本高，制備的批量小。第三種方式是通過改進(jìn)工藝如熱壓法來降低燒結(jié)溫度，但實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的控制條件較多，往往難以達(dá)到較好的效果。如何進(jìn)行有效的中、低溫?zé)Y(jié)且維持良好的壓電、機(jī)械性能是一個(gè)材料制備過程中的難題。
同時(shí)，對功率器件所用的材料性能的評價(jià)目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，通過對多層功率壓電器件的研究發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)重要的優(yōu)化因子，一個(gè)是效率因子Kp2.Qm，它和功率壓電器件所能達(dá)到的最大效率密切相關(guān)，另一個(gè)是功率因子Kp2.ε33t，它和壓電器件所能承受的功率密度成正比。因此，要得到運(yùn)用于高功率壓電器件的材料，必須具有高的功率因子和效率因子，也就是說，必須具有高的Kp、Qm和ε33t以及低的損耗和高的機(jī)械強(qiáng)度。
從國內(nèi)外功率材料的應(yīng)用情況來看，早期的應(yīng)用有Vernitron公司的PZT-8，燒結(jié)溫度在1260℃左右，國內(nèi)主要采用硬性摻雜及添加助劑的PZT系壓電陶瓷，如劉永懷(中國專利CN85100702)在PZT中加入CaFeO3及部分氧化物得到在超聲大功率下應(yīng)用的壓電陶瓷，燒結(jié)溫度為1240℃。近期的研究主要集中在三元、四元的摻雜改性，沒有過多顧及中低溫?zé)Y(jié)的問題。而對低溫?zé)Y(jié)硬性壓電陶瓷材料的探索國內(nèi)外做的還不多，清華大學(xué)桂治輪等(中國專利CN85100051B)通過在PZT中添加B-Bi-Cd玻璃料使該系燒結(jié)溫度降至960℃，但Qm值只有800-1000。E.R.Nielsen等(Journal of the European Ceramic Society，2002)通過摻雜PbO-WO3降低硬性PZT壓電陶瓷的燒結(jié)溫度到1075℃，但Keff和Qm只有0.22和1000左右。從以上結(jié)果可看出能夠滿足中、低溫?zé)Y(jié)且Kp、Qm和ε33t均高的壓電陶瓷材料目前還沒有，這些材料的功率因子和效率因子都較低，難于滿足高功率器件的設(shè)計(jì)和使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于選取適宜的配方，通過以SrCO3置換部分PbO和添加MnCO3，采用低成本的生產(chǎn)路線，制備具有高的功率因子和效率因子、高機(jī)械強(qiáng)度、低損耗，同時(shí)具有較寬燒結(jié)溫度范圍，可在中、低溫?zé)Y(jié)的適于高功率、多層壓電器件使用的壓電陶瓷材料。
本發(fā)明的材料組合物可用下列化學(xué)式來表示Pb1-ASrA(Zr0.52Ti0.48)x(Mn1/3Nb2/3)yO3+B molMnCO3其中0.01≤A≤0.150.01≤B≤0.03x+y＝1，0.01≤y≤0.20當(dāng)A為0.04mol，B為0.01mol，y為0.05mol時(shí)，本發(fā)明的各項(xiàng)性能達(dá)到最優(yōu)。
工藝步驟如下按化學(xué)式Pb1-ASrA(Zr0.52Ti0.48)x(Mn1/3Nb2/3)yO3+BmolMnCO3的化學(xué)計(jì)量比稱取氧化鉛(PbO)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鈦(TiO2)、氧化鈮(Nb2O5)、碳酸錳(MnCO3)、碳酸鍶(SrCO3)化學(xué)原料，在行星磨中濕磨混合3-5小時(shí)，干燥后壓塊，于850℃-950℃保溫兩小時(shí)預(yù)燒，粉碎后再在攪拌式球磨機(jī)中濕磨，而后加入占料重6-10％左右的PVB作為粘結(jié)劑，在200Mpa的壓力下成型成φ12mm×1mm圓片和40mm×3mm×4mm的長條，然后于1050-1250℃溫度下燒成2-4小時(shí)，測試每個(gè)試樣的密度，長條狀試樣經(jīng)拋光后進(jìn)行三點(diǎn)彎曲性能測試，計(jì)算出彎曲強(qiáng)度。
在150℃-200℃下，以3-6kV/mm的直流電場在硅油中極化20-40分鐘，極化后24小時(shí)內(nèi)按IRE標(biāo)準(zhǔn)測試樣品的電性能，包括諧振頻率、反諧振頻率，介電常數(shù)，同時(shí)計(jì)算出機(jī)電耦合系數(shù)和機(jī)電品質(zhì)因子。
本發(fā)明制備方法上的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在預(yù)燒后的細(xì)磨工藝上，攪拌式球磨機(jī)中的球選用φ5，3，2，1的鋯球，料、球和水的比例選用1∶3-5∶1-2，其中球的比例安排用φ5∶φ3∶φ2＝1∶1∶1-2∶2-3，并添加0.1-0.5wt％的分散劑(G-105)防止干燥時(shí)的分層現(xiàn)象。
本發(fā)明制備所得的材料，其效率因子和功率因子都較高，且燒結(jié)溫度范圍很寬，為1050-1250℃，屬于中、低溫?zé)Y(jié)的范圍，而且強(qiáng)度較高，容易燒結(jié)，燒成后密度可達(dá)到7.73g/cm3，特別適合于使用徑向振動模式的多層功率器件如壓電變壓器等使用。
具體實(shí)施例方式
表1為采用上述方法制備的不同配方的性能對比，在A＝0.04，B＝0.01，y＝0.05時(shí)(實(shí)施例2)，材料具有最佳性能。功率因子和效率因子分別為408和455，燒結(jié)溫度為1050℃。
表1
權(quán)利要求
1.摻雜鈮錳酸鉛—鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料，其特征在于以下列化學(xué)式來表示Pb1-ASrA(Zr0.52Ti0.48)x(Mn1/3Nb2/3)yO3+BmolMnCO3，其中0.01≤A≤0.15；0.01≤B≤0.03；x+y＝1，0.01≤y≤0.20。
2.按權(quán)利要求1所述的摻雜鈮錳酸鉛—鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料，其特征在于A為0.04mol，B為0.01mol，y為0.05mol時(shí)。
3.按權(quán)利要求1或2所述的摻雜鈮錳酸鉛—鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料的制備方法，包括混料、球磨、預(yù)燒、加壓成型、燒結(jié)，其特征在于按化學(xué)式Pb1-ASrA(Zr0.52Ti0.48)x(Mn1/3Nb2/3)yO3+BmolMnCO3的化學(xué)計(jì)量比稱取氧化鉛、氧化鋯、氧化鈦、氧化鈮、碳酸錳、碳酸鍶為學(xué)原料。
4.按權(quán)利要求3所述的摻雜鈮錳酸鉛—鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于預(yù)燒溫度為850℃-950℃，燒結(jié)條件為1050-1250℃溫度下燒成2-4小時(shí)。
5.按權(quán)利要求3或4所述的摻雜鈮錳酸鉛—鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于球磨過程中選用φ5，3，2，1的鋯球，比例安排用φ5∶φ3∶φ2∶φ1＝1∶1∶1-2∶2-3；料、球和水的比例選用1∶3-5∶1-2。
全文摘要
本發(fā)明以鈮錳酸鉛－鋯鈦酸鉛壓電陶瓷為基體，以SrCO
文檔編號C04B35/493GK1557775SQ20041001632
公開日2004年12月29日 申請日期2004年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月13日
發(fā)明者李國榮, 李寶山, 殷慶瑞, 鄭嘹贏 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所