專利名稱：鋯鈦酸鋇鈣基壓電陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓電性能的鋯鈦酸鋇鈣基壓電陶瓷及其制備方法，屬于電 子陶瓷領(lǐng)域。
技術(shù)背景壓電陶瓷在外加電場作用下可以產(chǎn)生應(yīng)變，同時，在外力作用下，壓電陶 瓷會在兩極產(chǎn)生電荷，因此被廣泛的應(yīng)用于換能器、微位移器、傳感器、諧振 器及濾波器等領(lǐng)域。文獻(xiàn)"Shoufu Shao， Jialiang Zhang, Zong Zhang, Peng Zheng, Minglei Zhao, Jichao U and Chunlei Wang, High piezoelectric properties and domain configuration in BaTi03 ceramics obtained through the solid—state reaction route, J, Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 125408"采用傳統(tǒng)的 固相合成方法制備了高性能的無鉛壓電陶瓷，使鈥酸鋇的壓電性能得到了大大 的提高。然而他們的燒結(jié)工藝卻非常復(fù)雜，高性能的鈥酸鋇陶瓷必須在較窄的 溫度范圍內(nèi)燒成，嚴(yán)重的制約了其大批量的生產(chǎn)以及產(chǎn)品的工藝穩(wěn)定性。而目 前通用的解決方案是加入其他鈣鈥礦成分來調(diào)節(jié)其壓電性能和工藝性能。 發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)中高性能鈦酸鋇陶瓷工藝性能差等問題，本發(fā)明提供一 種高壓電性能的鋯鈦酸鋇鈣基壓電陶瓷，采用鈦酸釣和鋯酸鋇與鈦酸鋇復(fù)合形 成固溶體，使其壓電性能和工藝性能都得到了大大的提高。本發(fā)明還提供這種鋯鈦酸鋇鈣基壓電陶瓷的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是敏酸鋇鉤絲電陶瓷的化學(xué)組 式為(l-x-y)BaTi03-xCaTiO「yBaZr03 ， 其中0<x<0.5， 0<y<0.5, x、 y均為摩爾分?jǐn)?shù)。 具體制備方法為(l)將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦、二氧化鋯，按化學(xué)計量比為 (1-x—y)BaTiQ廣xCaTi03-yBaZr03配料，其中0〈x<0. 5， 0<y<0. 5;3(2) 將步驟(1)配好的料放入5求磨機中混料，球/料質(zhì)量比為2~20,球的 材質(zhì)為鐵球、瑪瑙球、氧化鋯球和氧化鋁球中的一種，球磨的時間為2-14小時， 轉(zhuǎn)速為200 ~ 450轉(zhuǎn)/分鐘；
(3) 將步驟(2)混合好的料壓塊，在1000 140(TC溫度下預(yù)燒1 3小時， 取出煅燒的料研碎，再次球磨，球磨時間和轉(zhuǎn)速同步驟(2)，然后粉體過40目篩， 球的材質(zhì)和球/料比同步驟(2);
(4 )將步驟(3)得到的粉體加入其質(zhì)量比10-45%的純凈水、質(zhì)量比O. 2 ~ 2°/; 的聚丙烯酸氨分散劑和質(zhì)量比O. 2 ~ 2°/。的聚乙烯醇粘合劑，經(jīng)球磨l ~ 3小時混合 均勻而成料漿，球磨速度為50 ~ 300轉(zhuǎn)/分鐘，采用氣流噴霧造粒，得到顆粒直徑 為O. 01 ~ l毫米的鋯鈥酸鋇釣粉體顆粒；
(5)將步驟(4)制得的粉體顆粒放入壓機，在200 ~ 900 MPa的壓力下壓制 出圓片或者方片;，
(6 )將步驟(5)成型的圓片或者方片放入烘箱中12(TC烘l ~ 6小時成為素 片，然后將烘千的素片放入爐中排膠，升溫速率在25 500。C時為30 9(TC /h， 500 80(TC時為90 12(TC/h,并分別在270。C、 360°C、 500。C及800。C保溫1 ~ 4小時，隨爐冷卻；
(7 )將步驟(6)得到的素片放入燒結(jié)爐中，以2 ~ 12。C/分鐘的升溫速率升至 1200 - 150(TC，保溫1-8小時，然后隨爐冷卻，燒結(jié)完成后取出，涂敷低溫銀 漿，500 ~ 800'C保溫0. 2-1. 5小時制成電極;
(8)將步驟(7)制得的瓷片浸入25 85。C硅油中極化10 60分鐘，極化電 場為O. 1 ~4kV/mm0
本發(fā)明的有k效果是由于采用了鈦酸釣和鋯酸鋇與鈦酸鋇形成了固溶體， 減少了制備工藝對壓電性能的影響，并形成了一個三方-四方相界。在相界附近， 壓電性能得到了大大的增強，同時該方法也能有效的降低了壓電陶瓷的矯頑場， 使極化；藝簡單易行。本發(fā)明可制備不同壓電、介電性能的無鉛壓電陶瓷，從 而滿足不同領(lǐng)域的使用需求；該壓電陶乾成分筒單，成本低廉，工藝流程簡單， 重復(fù)性好，設(shè)備要求低，使得生產(chǎn)成本低廉，適合大規(guī)模、批量化生產(chǎn)。本發(fā) 明所得到的電學(xué)參數(shù)為，壓電常數(shù)d33為200 - 750pC/N,平面耦合機電系數(shù)k。為 0.15 ~ 0.65,品質(zhì)因數(shù)Qm為110 ~ 1400,厚度機電耦合系數(shù)kt為O. 20 ~ 0. 86。
圖1為本發(fā)明實施例l鋯鈦酸鋇鈣陶瓷的X射線圖譜。圖2為本發(fā)明實施例2鋯鈦酸鋇鉤陶瓷的掃描電鏡圖片。 圖3為本發(fā)明實施例3鋯鈦酸鋇鈣陶瓷的掃描電鏡圖片。
具體實施方式
實施例l:
用分析純級質(zhì)量百分比含量為99. 9%的碳酸鋇、質(zhì)量百分比含量為99. 8%的 碳酸鈣、質(zhì)量百分比含量為98. 0%的二氧化鈦、質(zhì)量百分比含量為99. 0%的二氧 化鋯，按化學(xué)計量比為O. 76BaTiO廠0. 12CaTi03-0. 12BaZr03進(jìn)行稱量配料。將配 好的料放入球磨機中按氧化鋯球:料為10: l的比例混料，混料過程中不加入其他 介質(zhì)。球磨的時間為6小時，轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分鐘，混合好的料壓塊在1250。C溫度 下預(yù)燒2小時，取出煅燒的料研碎，再球磨6小時后過40目篩，球磨轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn) /分鐘；將粉體加入其質(zhì)量比32°/。的純凈水、.質(zhì)量比l. 2%的聚丙烯酸氨分散劑和 質(zhì)量比O. 8%的聚乙烯醇粘合劑，經(jīng)球磨2小時混合均勻而成料漿，球磨速度為IOO 轉(zhuǎn)/分鐘，采用氣流噴霧造粒；粉體顆粒-文入壓機中，在450MPa壓力下得到直徑 15毫米厚度1.2毫米的圓片；》欠入烘箱中120。C烘10小時成為素片，然后將烘干 的素片放入爐中排膠，升溫速率在25 ~ 500。C時為30。C/h， 500 ~ 800。C時為100。C /h，并分別在270。C、 36(TC、 500。C及800。C保溫2小時，隨爐冷卻；排完膠的素 片放入燒結(jié)爐中，升溫速率為5。C/分鐘，在1350。C燒結(jié)，而后隨爐冷卻。燒結(jié) 完成后取出，涂敷中溫銀漿，在80(TC保溫0. 5小時成為電極，在25。C的硅油中 極化10分鐘，極化電場為lkV/隨。采用該方法得到的鋯鈦酸鋇4丐陶資壓電常數(shù) (133為527 pC/N，平面耦合機電系數(shù)kp為O. 54，品質(zhì)因數(shù)Qm為721,厚度機電耦合 系數(shù)kt為O. 67。圖l給出了鋯鈥酸鋇鉤陶瓷的X射線圖語。
實施例2:
用分析純級質(zhì)量百分比含量為99. 9°/。的碳酸鋇、質(zhì)量百分比含量為99. 8°/。的 碳酸鉤、質(zhì)量百分比含量為98. 0°/ 的二氧化鈦、質(zhì)量百分比含量為99. 0°/。的二氧 化鋯，按化學(xué)計量比為O. 75BaTiO3-0. 15CaTiO廠0. 1BaZr03進(jìn)行稱量配料。將配好 的料放入球磨機中按氧化鋯球:料為15: l的比例混料，混料過程中不加入其他介 質(zhì)。球磨的時間為6小時，轉(zhuǎn)速為350轉(zhuǎn)/分鐘，混合好的料壓塊在125(TC溫度下 預(yù)燒2小時，取出煅燒的料研碎，再球磨6小時后過40目篩，球磨轉(zhuǎn)速為350轉(zhuǎn)/ 分鐘；將粉體加入其質(zhì)量比30°/ 的純凈水、質(zhì)量比l. l"/。的聚丙烯酸氨M劑和質(zhì) 量比O. 9%的聚乙烯醇粘合劑，經(jīng)球磨2小時混合均勻而成料漿，球磨速度為150
5轉(zhuǎn)/分^K采用氣流噴霧造粒；粉體顆粒放入壓機中，在500MPa壓力下得到直徑 15毫米厚度1. 2毫米的圓片；放入烘箱中120'C烘10小時成為素片，然后將烘干 的素片放入爐中排膠，升溫速率在25 ~ 500。C時為3(TC/h， 500 ~ 800。C時為10(TC /h，并分別在270。C、 36(TC、 50(TC及80(TC保溫2小時，隨爐冷卻；排完膠的素 片放入燒結(jié)爐中，升溫速率為10。C/分鐘，在1400。C燒結(jié)，而后隨爐冷卻。涂敷 中溫銀漿，在800。C保溫0.5小時成為電極，在25。C的硅油中極化30分鐘，極化 電場為l. 5kV/mm。采用該方法得到的鋯鈦酸鋇鈣陶瓷壓電常數(shù)d"為673 pC/N， 平面耦合機電系數(shù)kp為O. 64，品質(zhì)因數(shù)(^為558，厚度機電耦合系數(shù)kt為O. 77。圖 2給出了鋯鈦酸鋇釣陶乾的掃描電鏡圖片。 實施例3:
用分析純級質(zhì)量百分比含量為99. 9%的碳酸鋇、質(zhì)量百分比含量為99. 8%的 碳酸鈣、質(zhì)量百分比含量為98. 0%的二氧化鈦、質(zhì)量百分比含量為99. 0%的二氧 化梏，^化學(xué)計量比為0. 74BaTiO3-0. 18CaTi0「0. 08BaZr03進(jìn)行稱量配料。將配 好的料放入球磨機中按氧化鋯球:料為8: l的比例混料，混料過程中不加入其他 介質(zhì)。球磨的時間為6小時，轉(zhuǎn)速為450轉(zhuǎn)/分鐘，混合好的料壓塊在125(TC溫度 下預(yù)燒2小時，取出煅燒的料研碎，再球磨6小時后過40目篩，球磨轉(zhuǎn)速為450轉(zhuǎn) /分鐘；將粉體加入其質(zhì)量比40%的純凈水、質(zhì)量比1%的聚丙烯酸氨分散劑和質(zhì) 量比1%的聚乙烯醇粘合劑，經(jīng)球磨2小時混合均勻而成料漿，球磨速度為80轉(zhuǎn)/ 分鐘，采用氣流噴霧造粒；粉體顆粒放入壓機中，在350MPa壓力下得到直徑15毫 米厚度1.2毫米的圓片；放入烘箱中120。C烘10小時成為素片，然后將烘干的素 片放入爐中排膠，升溫速率在25 ~ 500。C時為3(TC/h, 500 ~ 800°C時為IOO'C/h, 并分別在27(TC、 360°C、 500。C及800。C保溫2小時，隨爐冷卻；排完膠的素片放 入燒結(jié)爐中，升溫速率為7'C/分鐘，在1320'C燒結(jié)，而后隨爐冷卻。燒結(jié)完成 后取出，.涂敷中溫銀漿，在800'C保溫0. 5小時成為電極，在25。C的硅油中極化 20分鐘，極化電場為lkV/ram。釆用該方法得到的鋯鈦酸鋇釣陶乾壓電常數(shù)(133為 482 pC/N,平面耦合機電系數(shù)kp為0.48,品質(zhì)因數(shù)Q^為686，厚度機電耦合系數(shù) kt為O. 59。圖3給出了鋯鈦酸鋇鉤陶資的掃描電鏡圖片。
權(quán)利要求
1.一種鋯鈦酸鋇鈣基壓電陶瓷，其特征在于鋯鈦酸鋇鈣基壓電陶瓷的化學(xué)組成通式為(1-x-y)BaTiO3-xCaTiO3-yBaZrO3，其中0＜x＜0.5，0＜y＜0.5，x、y均為摩爾分?jǐn)?shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的鋯鈦酸鋇4丐基壓電陶瓷的制備方法，其特征在于制 備方法為(1) 將碳酸鋇、碳酸鉤、二氧化鈦、二氧化鋯，按化學(xué)計量比為 (l-x-y)BaTi03-xCaTi03-yBaZr03配料,其中0<x<0. 5, 0<y<0. 5;(2) 將步驟(l)配好的料放入球磨機中混料，球/料質(zhì)量比為2~20,球的 材質(zhì)為鐵球、瑪瑙球、氧化鋯球和氧化鋁球中的一種，球磨的時間為2 14小時， 轉(zhuǎn)速為200 ~ 450轉(zhuǎn)/分鐘； 、(3) 將步驟(2)混合好的料壓塊，在1000 ~ 1400。C溫度下預(yù)燒l ~ 3小時， 取出煅燒的料研碎，再次球磨，球磨時間和轉(zhuǎn)速同步驟(2)，然后粉體過40目篩， 球的材質(zhì)和球/料比同步驟(2);(4 )將步驟(3)得到的粉體加入其質(zhì)量比10-45%的純凈水、質(zhì)量比O. 2 ~ 2% 的聚丙烯酸氨*劑和質(zhì)量比0. 2 ~ 2%的聚乙烯醇粘合劑，經(jīng)球磨l ~ 3小時混合 均勻而成料漿，球磨速度為50 - 300轉(zhuǎn)/分鐘，采用氣流噴霧造粒，得到顆粒直徑 為O. 01 ~ l毫米的鋯鈥酸鋇鈣粉體顆粒；(5 )將步驟(4)制得的粉體顆粒放入壓機，在200 ~ 900 MPa的壓力下壓制 出圓片或者方片；(6 )將步驟(5)成型的圓片或者方片放入烘箱中12(TC烘1 ~ 6小時成為素 片，然后將烘干的素片放入爐中排膠，升溫速率在25 ~ 500。C時為30 ~ 90。C /h， 500 ~ 800匸時為90~ 120°C/h，并分別在270。C、 36(TC、 500。C及800。C保溫1 ~ 4小時，隨爐冷i卩；(7 )將步驟(6)得到的素片放入燒結(jié)爐中，以2 ~ 12。C/分鐘的升溫速率升至 1200 - 1500°C，保溫l-8小時，然后隨爐冷卻，燒結(jié)完成后取出，涂敷低溫銀 漿，500 ~ 80(TC保溫0. 2-1. 5小時制成電極;(8)將步驟(7)制得的瓷片浸入25 85。C硅油中極化10 60分鐘，極化電 場為O. l.~4kV/mra。
全文摘要
本發(fā)明公開了鋯鈦酸鋇鈣基壓電陶瓷及其制備方法。鋯鈦酸鋇鈣基壓電陶瓷的化學(xué)組成通式為(1-x-y)BaTiO<sub>3</sub>-xCaTiO<sub>3</sub>-yBaZrO<sub>3</sub>，其中0＜x＜0.5，0＜y＜0.5；x、y均為摩爾分?jǐn)?shù)。將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦、二氧化鋯，按化學(xué)計量比(1-x-y)BaTiO<sub>3</sub>-xCaTiO<sub>3</sub>-yBaZrO<sub>3</sub>(0＜x＜0.5，0＜y＜0.5；x、y均為摩爾分?jǐn)?shù))配料，經(jīng)過球磨、煅燒、二次球磨、造粒、成型、排膠、高溫?zé)Y(jié)等工序，最終制備具有高壓電性能的鋯鈦酸鋇鈣基壓電陶瓷。本發(fā)明方法大大的提高了無鉛壓電陶瓷體系的壓電性能、提高了材料的工藝穩(wěn)定性，從成分和工藝兩方面使鈦酸鋇體系的無鉛壓電陶瓷達(dá)到了實用化水平。
文檔編號C04B35/49GK101648807SQ20091011439
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月14日
發(fā)明者劉來君, 周煥福, 亮 方, 曌 楊, 胡長征 申請人:桂林理工大學(xué)