專利名稱：一種摻雜ZnO的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的一種摻雜ZnO的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷及其制備方法，屬于壓電陶瓷 技術(shù)領(lǐng)域，可以廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、艦船、海洋、電子、信息等技 術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
壓電材料，由于高的壓電和機(jī)電性能，廣泛應(yīng)用在航空、航天、兵器、艦 船以及民用技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域。目前應(yīng)用的最普遍的壓電材料仍然是鋯鈦酸鉛 (PZT)壓電陶瓷，PZT壓電陶瓷是具有鈣鈦礦相AB03型結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷材料， 其組成在準(zhǔn)同型相界點(diǎn)附近，即x = 0.52-0.55的PZT陶瓷的介電常數(shù)和機(jī)電耦 合系數(shù)尤為高。因此該類PZT陶瓷材料體現(xiàn)出的優(yōu)良的介電性、壓電性、鐵電、 光電性和熱釋電性，且易摻雜改性，穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于 聲納、超聲波馬達(dá)、蜂鳴器、加速度計(jì)、水聽(tīng)器、聲表面波器件、壓電換能器、 超準(zhǔn)定位儀、陀螺驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示器等領(lǐng)域。然而，隨著大功率壓電器 件的快速發(fā)展，又對(duì)壓電陶瓷的性能和制備工藝提出了更高要求，特別是要求
壓電陶瓷具有高的機(jī)電耦合系數(shù)aP)、高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(Gn)、低的損耗角
正切(tan"、較高的穩(wěn)定性，這樣可以保證器件在諧振狀態(tài)工作效率高且不易 疲勞損壞及性能惡化。因此，需要進(jìn)一步提高PZT壓電陶瓷的機(jī)械性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提高鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(gm),提出了
一種摻雜ZnO的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷及其制備方法。 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的一種摻雜ZnO的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其組分質(zhì)量百分比如下
PZT粉體 97%~99.5%
ZnO粉體 3% 0.5%
3其中，PZT粉體為微米預(yù)燒粉體，ZnO粉體為納米粉體。
本發(fā)明的一種摻雜ZnO的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其具體實(shí)施步驟
為
1) 在室溫下，將ZnO粉體、PZT粉體和乙醇在球磨機(jī)內(nèi)混合，球磨3 10 h;其中乙醇占ZnO粉體和PZT粉體總質(zhì)量的5% 20%;
2) 將濃度為3 wt% 5 wt%，占ZnO粉體和PZT粉體總質(zhì)量的l% 5°/。的 聚乙烯醇水溶液加入到混合粉體中，球磨5 24h，得到混合液；
3) 將得到的混合液在60 200 °C的鼓風(fēng)干燥箱中攪拌至干燥完全成固體， 將其進(jìn)行研磨并過(guò)40 100目篩成粉料；
4) 將粉料在不銹鋼磨具中以50 200 kg/cm2的壓力壓制成圓片生坯，生 坯置于坩鍋中，在箱式燒結(jié)爐中以1 10 °C/min的升溫速度升溫至500 600 °C， 恒溫2 5h進(jìn)行排膠；再以2 7。C/min升溫至900 1200 。C，恒溫2 5h后， 隨爐冷卻，得到摻雜ZnO的PZT陶瓷圓片；
5) 將陶瓷片進(jìn)行切割加工、涂銀漿、上電極、極化老化后，得到摻雜ZnO 的PZT壓電陶瓷。
經(jīng)過(guò)以上步驟制得的PZT壓電陶瓷的壓電性能穩(wěn)定、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高。
本發(fā)明涉及的工藝原理是，納米ZnO中的Zi^+作為一種"硬性，，添加物， 可以替代PZT中的部分Zr4+/Ti4+，導(dǎo)致02'缺位，如下式
z 2+ Zr"/Ti" z " 廣
02-缺位對(duì)疇壁起釘扎作用(pinning),并且引入了空間電荷，使得電疇運(yùn) 動(dòng)變得難以進(jìn)行，因此沿電場(chǎng)方向取向的電疇數(shù)目減少，從而導(dǎo)致壓電常數(shù)降 低，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)大幅提高。另外，適量ZnO的摻雜，能形成少量液相，促進(jìn) 燒結(jié)，降低燒結(jié)溫度，并且減少晶粒間隙，明顯提高壓電陶瓷的致密度。
有益效果
本發(fā)明由于在PZT壓電陶瓷中摻雜了 ZnO粉體，降低了 PZT壓電陶瓷的燒 結(jié)溫度，提高了PZT壓電陶瓷的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。


圖1為不同ZnO含量，不同燒結(jié)溫度下?lián)诫s納米ZnO的PZT壓電陶瓷的 機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(On)曲線圖；圖2為不同ZnO含量，不同燒結(jié)溫度下?lián)诫s納米 ZnO的PZT壓電陶瓷的機(jī)電耦合系數(shù)曲線圖；圖3為不同ZnO含量，不 同燒結(jié)溫度下?lián)诫s納米ZnO的PZT壓電陶瓷的介電常數(shù)(。曲線圖；圖4為 不同ZnO含量，不同燒結(jié)溫度下?lián)诫s納米ZnO的PZT壓電陶瓷的壓電常數(shù)W33) 曲線圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l
制備含0.5%納米ZnO摻雜的PZT壓電陶瓷，具體操作如下
1) 在室溫下，將0.5克納米ZnO、 99.5克PZT粉體和10克乙醇在球磨機(jī) 內(nèi)混合，球磨3小時(shí)；
2) 將6克濃度為5wt。/。的聚乙烯醇溶液加入到混合粉體中，球磨24小時(shí)， 得到混合液；
3) 將得到的混合液在100 °C鼓風(fēng)干燥箱中邊干燥邊攪拌10小時(shí)成固體， 將其進(jìn)行研磨并過(guò)60目篩成粉料；
4) 將粉料在不銹鋼磨具中以150kg/cn^的壓力壓制成圓片生坯，生坯置于 箱式馬弗爐中以6 °C/min的升溫速度升溫至600 。C ，恒溫2小時(shí)進(jìn)行排膠；再 以10 °C/min升溫至1100 °C，恒溫2小時(shí)后，隨爐冷卻，得到摻雜ZnO的PZT 陶瓷圓片；
5) 將陶瓷片進(jìn)行切割加工，涂銀漿，上電極，極化老化后，得到摻雜ZnO 的PZT壓電陶瓷，其2m為2562.71。
實(shí)施例2
制備含P/。納米ZnO摻雜的PZT壓電陶瓷，具體操作如下
1) 在室溫下，將1克納米ZnO、 99克PZT粉體和15克乙醇在球磨機(jī)內(nèi)混 合，球磨3小時(shí)；
2) 將8克濃度為5wt。/。的聚乙烯醇溶液加入到混合粉體中，球磨24小時(shí)， 得到混合液；
3) 將得到的混合液在100 °C鼓風(fēng)干燥箱中邊干燥邊攪拌10小時(shí)成固體，將其進(jìn)行研磨并過(guò)60目篩成粉料；
4) 將粉料在不銹鋼磨具中壓制(100 kg/cm2)成圓片生坯，生坯置于箱式 馬弗爐中以6 。C/min的升溫速度升溫至600 。C，恒溫4小時(shí)進(jìn)行排膠；再以10 "C/min升溫至1100 °C，恒溫3小時(shí)后，隨爐冷卻，得到摻雜ZnO的PZT陶瓷 圓片；
5) 將陶瓷片進(jìn)行切割加工，涂銀漿，上電極，極化老化后，得到摻雜ZnO 的PZT壓電陶瓷，其gm為2102.75。
實(shí)施例3
制備含2 %納米ZnO摻雜的PZT壓電陶瓷，具體操作如下
1) 在室溫下，將2克納米ZnO、 98克PZT粉體和20克乙醇在球磨機(jī)內(nèi)混 合，球磨3小時(shí)；
2) 將8克濃度為4 wt。/。的聚乙烯醇溶液加入到混合粉體中，球磨24小時(shí)， 得到混合液；
3) 將得到的混合液在100 °C鼓風(fēng)干燥箱中邊干燥邊攪拌10小時(shí)成固體， 將其進(jìn)行研磨并過(guò)60目篩成粉料；
4) 將粉料在不銹鋼磨具中壓制(200 kg/cm2)成圓片生坯，生坯置于箱式 馬弗爐中以6 。C/min的升溫速度升溫至600 。C，恒溫2小時(shí)進(jìn)行排膠；再以10 。C/min升溫至1100 。C，恒溫4小時(shí)后，隨爐冷卻，得到摻雜ZnO的PZT陶瓷 圓片；
5) 將陶瓷片進(jìn)行切割加工，涂銀漿，上電極，極化老化后，得到摻雜ZnO 的PZT壓電陶瓷，其gm為2880.92。
對(duì)比例l
加入PZT粉體為100g，其余同實(shí)施例1，得到的摻雜ZnO的PZT壓電陶 瓷的0m為1350.2。
實(shí)施例4
制備含0.5 %納米ZnO摻雜的PZT壓電陶瓷，所用原料為納米ZnO粉0.5 克，PZT粉99.5克，聚乙烯醇溶液10克，濃度為3wtM;排膠階段以5 °C/min 的升溫速度升溫至550 °C，恒溫3小時(shí)；再以6 。C/min升溫至1000 °C，恒溫2小時(shí)；其余同實(shí)施例l;得到摻雜ZnO的PZT壓電陶瓷，其gm為1737.92。 實(shí)施例5
制備含1 %納米ZnO摻雜的PZT壓電陶瓷，所用原料為納米ZnO粉1克， PZT粉99克，聚乙烯醇溶液8克，濃度為4wt。/。；排膠階段以5。C/min的升溫 速度升溫至60(TC，恒溫2小時(shí)；再以6。C/min升溫至1000 。C，恒溫4小時(shí)； 其余同實(shí)施例l;得到摻雜ZnO的PZT壓電陶瓷，其&為1652.57。
實(shí)施例6
制備含2 %納米ZnO摻雜的PZT壓電陶瓷，所用原料為納米ZnO粉2克， PZT粉98克，聚乙烯醇溶液8克，濃度為4wt。/。；排膠階段以5TVmin的升溫 速度升溫至600 。C，恒溫2小時(shí)；再以6。C/min升溫至1000'C，恒溫4小時(shí)； 其余同實(shí)施例l;得到摻雜ZnO的PZT壓電陶瓷，其gm為1903.45。
對(duì)比例2
加入PZT粉體為100g，其余同實(shí)施例4，得到的慘雜ZnO的PZT壓電陶 瓷的^為1346.09。
實(shí)施例7
制備含0.5 。/o納米ZnO摻雜的PZT壓電陶瓷，所用原料為納米ZnO粉0.5 克，PZT粉99.5克，聚乙烯醇溶液8克，濃度為4wt。/。；排膠階段以5°C/min 的升溫速度升溫至600 °C，恒溫2小時(shí)；再以6r/min升溫至1050 。C，恒溫4 小時(shí)；其余同實(shí)施例l;得到摻雜ZnO的PZT壓電陶瓷，其gm為1951.46。
實(shí)施例8
制備含1 %納米ZnO摻雜的PZT壓電陶瓷，所用原料為納米ZnO粉1克， PZT粉99克，聚乙烯醇溶液6克，濃度為5wt。/。；排膠階段以5。C/min的升溫 速度升溫至600。C，恒溫2小時(shí)；再以6r/min升溫至105(TC,恒溫4小時(shí)； 其余同實(shí)施例1;得到摻雜ZnO的PZT壓電陶瓷，其gm為1771.89。
實(shí)施例9
制備含2 %納米ZnO摻雜的PZT壓電陶瓷，所用原料為納米ZnO粉2克， PZT粉98克，聚乙烯醇溶液6克，濃度為5wt。/。；排膠階段以5。C/min的升溫 速度升溫至600 。C，恒溫2小時(shí)；再以6。C/min升溫至105(TC，恒溫4小時(shí)；其余同實(shí)施例l;得到摻雜ZnO的PZT壓電陶瓷，其&為2147.4。 對(duì)比例3
加入PZT粉體為100g，其余同實(shí)施例7，得到的摻雜ZnO的PZT壓電陶 瓷的On為1640.71。
實(shí)施例10
制備含0.5 %納米ZnO摻雜的PZT壓電陶瓷，所用原料為納米ZnO粉0.5 克，PZT粉99.5克，聚乙烯醇溶液7克，濃度為5 wt%;排膠階段以5°C/min 的升溫速度升溫至600 °C，恒溫2小時(shí)；再以6 。C/min升溫至1150 °C，恒溫2 小時(shí)；其余同例i;得到摻雜ZnO的PZT壓電陶瓷，其gm為2261.64。
實(shí)施例11
制備含1 %納米ZnO摻雜的PZT壓電陶瓷，所用原料為納米ZnO粉1克， PZT粉99克，聚乙烯醇溶液6克，濃度為5wt。/。；排膠階段以5。C/min的升溫 速度升溫至600 。C，恒溫3小時(shí)；再以6。C/min升溫至115(TC，恒溫2小時(shí)； 其余同實(shí)施例l;得到摻雜ZnO的PZT壓電陶瓷，其0m為2159.28。
實(shí)施例12
制備含2 %納米ZnO摻雜的PZT壓電陶瓷，所用原料為納米ZnO粉2克， PZT粉98克，聚乙烯醇溶液6克，濃度為5wt。/。；排膠階段以5 °C/min的升溫 速度升溫至60(TC，恒溫3小時(shí)；再以6'C/min升溫至115(TC，恒溫2小時(shí)； 其余同實(shí)施例l;得到摻雜ZnO的PZT壓電陶瓷，其gm為2097.69。
對(duì)比例4
加入PZT粉體為100g，其余同實(shí)施例10，得到的摻雜ZnO的PZT壓電陶 瓷的0m為1544.93。
權(quán)利要求
1、一種摻雜ZnO的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在于其各組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為鋯鈦酸鉛粉體 97％～99.5％ZnO粉體 3％～0.5％。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種慘雜ZnO的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在于鋯鈦酸鉛粉體為微米預(yù)燒粉體，ZnO粉體為納米粉體。
3、 一種摻雜ZnO的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于1) 在室溫下，將ZnO粉體、鋯鈦酸鉛粉體和乙醇在球磨機(jī)內(nèi)混合，球磨3 10h;2) 將濃度為3 wt% 5wt%，占ZnO粉體和鋯鈦酸鉛粉體總質(zhì)量的1% 5%的聚乙烯醇水溶液加入到混合粉體中，球磨5 24h，得到混合液；3) 將得到的混合液在60 200 °C的鼓風(fēng)干燥箱中攪拌至干燥完全成固體，將其進(jìn)行研磨并過(guò)40 100目篩成粉料；4) 將粉料在不銹鋼磨具中以50 200 kg/cm2的壓力壓制成圓片生坯，生坯置于坩鍋中，在箱式燒結(jié)爐中以1 10 °C/min的升溫速度升溫至500 600 °C，恒溫2 5h進(jìn)行排膠；再以2 7r/min升溫至卯0 1200。C，恒溫2 5h后，隨爐冷卻，得到摻雜ZnO的鋯鈦酸鉛陶瓷圓片；5) 將陶瓷片進(jìn)行切割加工、涂銀漿、上電極、極化老化后，得到摻雜ZnO的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種摻雜ZnO的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于步驟1)中乙醇占ZnO粉體和鋯鈦酸鉛粉體總質(zhì)量的5% 20% 。
全文摘要
本發(fā)明的一種摻雜ZnO的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷及其制備方法，屬于壓電陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。摻雜ZnO的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其組分質(zhì)量百分比如下PZT粉體97％～99.5％，ZnO粉體0.5％～3％。摻雜ZnO的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法為將ZnO粉體、PZT粉體和乙醇在球磨機(jī)內(nèi)混合，然后加入聚乙烯醇水溶液繼續(xù)球磨，干燥成固體過(guò)篩后，壓制成圓片，經(jīng)排膠、燒結(jié)得到摻雜ZnO的鋯鈦酸鉛陶瓷圓片；將陶瓷片進(jìn)行切割加工、涂銀漿、上電極、極化老化后，得到摻雜ZnO的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。本發(fā)明由于在PZT壓電陶瓷中摻雜了納米ZnO粉體，降低了PZT壓電陶瓷的燒結(jié)溫度，提高了PZT壓電陶瓷的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。
文檔編號(hào)C04B35/49GK101665355SQ200910093720
公開(kāi)日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者張德慶, 曹茂盛, 王大偉, 杰 袁 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)