一種高機電耦合性能鋯鈦酸鉛細晶壓電陶瓷及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種壓電陶瓷材料，具體涉及一種高機電耦合性能鋯鈦酸鉛細晶壓電 陶瓷，同時還涉及該細晶壓電陶瓷的制備方法。
【背景技術】
[0002] 壓電陶瓷是通過高溫燒結制成的，具有高介電常數(shù)、壓電性及優(yōu)異的機電耦合性 能的一種新興的陶瓷材料，能夠將機械能和電能互相轉換。其中最具有代表性的是鋯鈦酸 鉛(PZT)壓電陶瓷，PZT壓電陶瓷由于其壓電性能以及由壓電性而引起的多種介電性能，在 宇航、電子、計算機、激光、超聲和能源等領域都得到了廣泛的應用。
[0003] 隨著各行業(yè)的不斷的發(fā)展，對PZT壓電陶瓷的壓電性能要求也不斷提高，因此，對 純的PZT壓電陶瓷進行改性獲得改性的PZT壓電陶瓷材料，以提高其壓電性能，使其能夠滿 足日益提高的壓電性能的需求，已經(jīng)成為PZT壓電陶瓷發(fā)展的必然趨勢。壓電陶瓷在需要良 好的壓電性能的同時，同樣需要良好的力學性能。由于壓電陶瓷本身存在的斷裂韌性低的 固有弱點，限制了其在實際應用中的范圍。
[0004] 通過對壓電陶瓷的斷裂行為及增韌機理進行總結分析得出：對于穿晶斷裂的壓電 陶瓷，主要增韌機理是微裂紋增韌，氣孔率對韌性有負面影響;對于沿晶斷裂的壓電陶瓷， 主要增韌機理是晶界解離，氣孔率對其韌性有負面影響。通過對壓電陶瓷的典型實驗現(xiàn)象 和己有的各種解釋分析發(fā)現(xiàn):通過加入第二相來增韌壓電陶瓷，雖然顯著改變了這些壓電 陶瓷的斷裂韌性，但是會嚴重損害其壓電性能；而通過自增韌的壓電陶瓷不僅改善了斷裂 韌性，且保持了其優(yōu)良的壓電性能。
[0005] 中國專利CN201510179552.8公開了一種錳銻酸鉛摻雜的鈮鎳-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷 (PMN-PZT)，獲得了一種化學式為（l-x^bmh/sM^/sksZryTioiyOs-xPbMm/sSbs/sCK 其中 y= 0 · 10~0 · 20，x=0~0 · 06)具有高壓電系數(shù)以及優(yōu)異的力學性能的(E~120GPa，Klc~l · 4MPa · m1 /2)，但是該壓電陶瓷的機電耦合系數(shù)僅達到0.53,能量轉化效率過低，無法達到應用的要 求。
[0006] 中國專利CN200410016324.0中公開了一種摻雜鈮錳酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料 及其制備工藝，以SrC03置換部分PbO和添加 Μη⑶3,獲得了一種彎曲強度為97MPa、介電損耗 小于0.5%、機電耦合系數(shù)最高達0.59的壓電陶瓷材料，過低的機電耦合系數(shù)使其在應用時 能量轉化效率過低，無法達到應用的要求。
[0007] 在另一份天津大學的碩士學位論文"低損耗PMS-PZT壓電陶瓷材料的研究"中，公 開了 一種組成為？131.02(]/[111/33匕2/3)1(21'().471'；[().48)(1-\)/().9503二兀系壓電陶瓷，其最佳壓電系 數(shù)d33為340pC/N，機械品質因數(shù)kp=0.585,相對介電常數(shù)為1369,介電損耗為0.31%的壓電 陶瓷材料，其相應的機械品質因數(shù)為0.585,遠無法達到應用的要求。
[0008] 通過對現(xiàn)有技術文件的分析中發(fā)現(xiàn)，鋯鈦酸鉛產(chǎn)品晶粒過大(7-12微米），氣孔多， 產(chǎn)品的脆性大，易在振動工作中開裂，導致性能不穩(wěn)定，影響產(chǎn)品的機械性能和可靠性。通 過采用細化晶粒(通常取2-4微米)的方式可以大幅度提高壓電陶瓷產(chǎn)品的可靠性，但按通 常該方法會同時降低鋯鈦酸鉛的壓電性能(如介電常數(shù)er及機電耦合系數(shù)Kp等性能）。例如 同樣的ΡΖΤ鋯鈦酸鉛的基礎配方，在晶粒為7-12微米時，其介電常數(shù)可達3500、機電耦合系 數(shù)Κρ可達0.75;但將燒后產(chǎn)品晶粒控制在2-4微米時，其壓電性能會出現(xiàn)急劇下降，介電常 數(shù)e max達1700、機電耦合系數(shù)Κρ最高達0.70。
[0009] 因而，如何獲得一種具有綜合機械性能優(yōu)異、同時又具有較好的壓電性能的壓電 陶瓷材料成為目前研究中極富挑戰(zhàn)性的課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了解決現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提供了一種高機電耦合性能鋯鈦酸鉛細 晶壓電陶瓷，相應的，本發(fā)明還提供了該細晶壓電陶瓷的制備方法。
[0011] 為了實現(xiàn)本發(fā)明的技術目的，本發(fā)明采用以下技術方案。
[0012] 一種高機電耦合性能鋯鈦酸鉛細晶壓電陶瓷，其分子式為Pbi-X-y-zBa xNbyNiz (ZraTii-a)03,其中0<x<0.1，0<y <0·08,0<ζ <0.08,0.51<a<0.6。
[0013] 優(yōu)選的，一種高機電耦合性能鋯鈦酸鉛細晶壓電陶瓷，其分子式為？!^^-zBaxNbyNi z(ZraTii-a)〇3，其中x=0 · 06，y=0 · 05，z=0 · 03，a=0 · 55〇
[0014] -種高機電耦合性能鋯鈦酸鉛細晶壓電陶瓷的制備方法，包括如下步驟： (a) 配料:按照壓電陶瓷的成分及其化學計量比計算，稱取原料，并將所述原料于球磨 罐中球磨混合2.5小時，得到混合后的粉體； (b) 預燒:將步驟(a)得到的混合后的粉體于氧化鋁坩堝內(nèi)密封，在800t>90(TC反應 2.5h，得到預燒后粉體； (c) 成型及排塑:將步驟(b)得到的預燒后粉體經(jīng)球磨、烘干后流延成膜，沖制成坯體， 采用兩段升溫排出有機物； (d) 燒結:將步驟(c)得到的排出有機物后的坯體在步驟(b)中預燒后的粉體中于1210 °C埋燒2小時，升溫速度為5 °C /min; (e) 被電極:將步驟(d)得到的燒結后的坯體經(jīng)超聲水洗后烘干被銀電極，于780°C保溫 lOmin后自然冷卻，得到被電極制品； (f )極化:將步驟(e )得到的被電極制品于100 °C的空氣中，施加1.4kV/mm的直流電場， 極化lOmin，得到壓電陶瓷。
[0015] 優(yōu)選的，所述步驟(a)中的原料為分析純的Pb304、BaC03、Nb 205、Ni0、Zr0^Ti02J；f 述球磨混合的條件是原料:去離子水:球磨介質為1:2.5:1，轉速為750rpm，所述球磨介質為 Zr〇2 球。
[0016] 優(yōu)選的，所述步驟(b)的預燒反應溫度為850°C。
[0017] 優(yōu)選的，所述步驟(b)中烘干溫度為60~100°C。
[0018] 優(yōu)選的，所述步驟(c)中坯體直徑為17.20mm，厚度為12.5 ± 0.5μπι。
[0019] 優(yōu)選的，所述步驟(c)中的兩段升溫是指先以3°C/min的升溫速率升溫至200°C，再 以2°C/min的升溫速率繼續(xù)升溫至400°C，保溫30min后，再以5°C/min的升溫速率升溫至650 °C，保溫15min，排出坯體中有機物。
[0020] 優(yōu)選的，所述步驟(e)中被電極采用絲網(wǎng)印刷工藝。
[0021] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明通過采用鋇、鈮、鎳對鋯鈦酸鉛壓電陶瓷進行改性， 獲得了一種改性的高性能壓電陶瓷。特別是當Pbi-x-y-zBaxNbyNiJZrJii- a)03,取代量x = 0.06，y=0.05，z=0.03，a=0.55，合成反應溫度為850°C時，獲得的改性的壓電陶瓷綜合壓電 性能最好，其中，介電常數(shù)為3600,壓電系數(shù)d 33為620pC/N，機電耦合系數(shù)kp值為80%，