專利名稱：高性能鑭摻雜鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于鑭摻雜鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛(PZN-PLZT)壓電陶瓷的制備方法，尤其涉及一種具有改進(jìn)極化工藝的PZN-PLZT壓電陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷是一種實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)化的功能陶瓷材料，它既具有鐵電陶瓷的一般性能，又具有獨(dú)特的壓電性能。壓電陶瓷材料由于具有獨(dú)特的壓電性能，優(yōu)異的機(jī)電耦合性能及介電性和彈性性能，且制備工藝簡(jiǎn)單、體積小、不受電磁干擾、成本低等特點(diǎn)，因此在航天、信息、生物、精密儀器等高新技術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)生產(chǎn)中都得到了廣泛應(yīng)用。壓電陶瓷的應(yīng)用主要分兩個(gè)方面壓電振子和換能器。在壓電振子應(yīng)用方面，主要是振蕩器、諧振器、濾波器、延遲線、變壓器等。壓電陶瓷變壓器是20世紀(jì)50年代開始研制的一種新型壓電器件，具有升壓比高、重量輕、體積小、驅(qū)動(dòng)電壓低、無(wú)泄漏電磁場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)，目前壓電變壓器已用于電子計(jì)算機(jī)顯示設(shè)備、雷達(dá)顯示器、掃描電子顯微鏡、靜電除塵、 離子發(fā)生器和壓電材料的極化等所需高壓設(shè)備中。在換能器應(yīng)用方面，主要是傳聲器、超聲換能器、測(cè)量?jī)x器等。在科學(xué)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)方面需要把檢測(cè)到的非電學(xué)量信息變成電學(xué)量，以便于放大、運(yùn)算、傳送記錄和顯示，能完成這種轉(zhuǎn)換的主要器件是以固體元件為主的電子傳感器。用壓電陶瓷制成的測(cè)量和感知各種物理量及其變化的傳感器，則是最佳的選擇，壓電傳感器也已經(jīng)成為各種檢測(cè)儀器和控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。主要有壓電陀螺、壓電加速度計(jì)、壓電陶瓷流量計(jì)、壓電電子稱、壓電計(jì)數(shù)器、結(jié)霜傳感器、表面粗糙度測(cè)量?jī)x、 擺鐘綜合測(cè)試儀和磨削接觸檢測(cè)儀等。PZN-PZT三元壓電陶瓷材料以其高的致密度，優(yōu)良的絕緣性能，及優(yōu)異的壓電性， 而被廣泛研究和應(yīng)用。人們主要是從配方和工藝兩個(gè)方面，去調(diào)節(jié)PZN-PZT的壓電等綜合性能。配方主要是通過(guò)“軟性”或“硬性”摻雜，從而使材料獲得較高的壓電性能或獲得高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)及小的介電損耗。本發(fā)明旨在獲得高的壓電性能，所以選擇鑭摻雜(“軟性” 摻雜)的配方。工藝一般是從球磨、合成、成型、燒結(jié)、極化等方面去改善材料的性能。眾所周知，PZN-PLZT陶瓷燒成后，是一種鐵電體，鐵電疇取向混亂，沒有剩余極化，所以不具有壓電性能，它只有通過(guò)一個(gè)特殊的工藝——極化后才具有獨(dú)特的壓電性能。所謂極化，就是在一定條件下在壓電陶瓷的兩端加上一定大小的直流電場(chǎng)，壓電陶瓷中的原本雜亂取向的鐵電疇沿外加的直流電場(chǎng)取向，即使在外加電場(chǎng)去掉后，仍會(huì)在極化方向(外加電場(chǎng)方向)產(chǎn)生一定大小的剩余極化，從而使壓電陶瓷具有壓電性能?？梢钥闯?，極化工藝對(duì)壓電陶瓷的壓電性能等具有顯著的影響，因此極化工藝是壓電陶瓷制備工藝中的重點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，提供一種獲得更高壓電性能的PZN-PLZT 壓電陶瓷的制備方法。本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)
(1)配料將原料 Pb304、Zn0、Nb205、&02、Ti02、Lei2O3 按 0. 25Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-O. 75Pb。.95La0 05 ( ^ 。^!!。.。。.■(^化學(xué)計(jì)量比配料，于球磨罐中混料，球料水的重量比為2 1 0.5, 球磨時(shí)間為3h，再將原料烘干；(2)合成將步驟(1)烘干后的粉料放入氧化鋁坩堝內(nèi)，加蓋密封，于900°C合成池；(3)成型及排塑將步驟O)的合成料再次球磨、烘干，外加7wt%的聚乙烯醇水溶液進(jìn)行造粒，過(guò)篩后在400Mpa的壓強(qiáng)下壓制成型為坯體；然后以3°C /min的速率將坯體升溫至200°C，再以1. 5°C /min速率從200°C升至400°C，在400°C保溫30min后，以5°C /min的速率升至 650°C并保溫lOmin，排出有機(jī)物；(4)燒結(jié)將步驟C3)排出有機(jī)物的坯體采用鋯鈦酸鉛粉料埋燒，以6°C /min速率升溫至 1270°C，保溫濁，隨爐冷卻；(5)燒銀將步驟⑷燒結(jié)好的壓電陶瓷片打磨至厚度為0. 9 1. 1mm，采用絲網(wǎng)印刷工藝在其上、下表面印刷銀漿，置于加熱爐中，升溫至735°C并保溫lOmin，自然冷卻至室溫；(6)極化將步驟(5)的燒銀制品，置于60°C 180°C的硅油中，施加lKV/mm 3. 3KV/mm的直流電場(chǎng)，極化anin 40min，再將施加電場(chǎng)狀態(tài)的制品放入處于室溫的硅油中急冷，然后去除電場(chǎng)；(7)測(cè)試壓電性能將步驟(6)極化處理的壓電陶瓷片，于室溫下靜置24h后測(cè)試其壓電性能。所述步驟(1)的球磨介質(zhì)為去離子水和瑪瑙球，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為750r/min。所述步驟(3)的聚乙烯醇水溶液的聚乙烯醇含量為7wt%。所述步驟(3)的坯體為直徑12mm，厚度1. 2mm 1. 4mm的圓片狀坯體。所述步驟(6)優(yōu)選的的極化條件為在140°C硅油中，施加2KV/mm直流電場(chǎng)，極化 IOmin0本發(fā)明的有益效果是，通過(guò)改進(jìn)PZN-PLZT壓電陶瓷的極化工藝，即在去除電場(chǎng)前增加一個(gè)快速降溫的過(guò)程，并通過(guò)極化條件的調(diào)整，顯著提高了其壓電性能，d33 = 550 600pC/N，Kp = 0. 59 0. 64。該配方壓電陶瓷的一般極化性能為d33 ^ 570pC/N，Kp ^ 0. 60。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用市售的化學(xué)純?cè)?純度彡99% )，為Pb3O4、ZnO, Nb2O5, ZrO2, TiO2,
L3-2^3 °具體實(shí)施例如下(1)配料將原料 Pb304、Zn0、Nb205、&02、Ti02、Lei2O3 按 0. 25Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-O. 75Pb0.95La0.05( Zrc^Ti。』)。.·^化學(xué)計(jì)量比配料，于球磨中混料，球料水的重量比為2 1 0.5，球
4磨時(shí)間為池，再將原料烘干；(2)合成將步驟(1)烘干后的粉料放入氧化鋁坩堝內(nèi)，加蓋密封，于900°C合成池；(3)成型及排塑將步驟O)的合成料再次球磨、烘干，外加7wt%的聚乙烯醇水溶液進(jìn)行造粒，過(guò)篩后在400Mpa的壓強(qiáng)下壓制成型為坯體；然后以3°C /min的速率將坯體升溫至200°C，再以1. 5°C /min速率從200°C升至400°C，在400°C保溫30min后，以5°C /min的速率升至 650°C并保溫lOmin，排出有機(jī)物；(4)燒結(jié)將步驟C3)排出有機(jī)物的坯體采用鋯鈦酸鉛粉料埋燒，以6°C /min速率升溫至 1270°C，保溫濁，隨爐冷卻；(5)燒銀將步驟(4)燒結(jié)好的壓電陶瓷片打磨至厚度為1mm，采用絲網(wǎng)印刷工藝在其上、下表面印刷銀漿，置于加熱爐中，升溫至735°C并保溫lOmin，自然冷卻至室溫；(6)極化將步驟(5)的燒銀制品，在不同的極化條件下進(jìn)行極化。極化溫度為120°C，極化時(shí)間為20min，極化電場(chǎng)為lKV/mm、IV/mm、2. 5KV/mm、 3KV/mm、3. 3KV/mm，分別記為實(shí)施例 1-1、1-2、1-3、1-4、1-5。 極化電場(chǎng)為IV/mm，極化時(shí)間為20min，極化溫度為60 °C >80 V、100 V、140 V、 160°C、180°C，分別記為實(shí)施例 2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6。極化電場(chǎng)為2KV/mm，極化溫度為140°C，極化時(shí)間為aiiin、5min、10min、30min、 40min，分別記為實(shí)施例 3-1、3-2、3-3、3-4、3-5。(7)測(cè)試壓電性能將步驟(6)極化處理的壓電陶瓷片，于室溫下靜置24h后測(cè)試其壓電性能，具體測(cè)試結(jié)果詳見表1。表 權(quán)利要求
1.一種高性能鑭摻雜鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，具有如下步驟(1)配料將原料 Pb3O4, ZnO, Nb2O5, ZrO2, TiO2, La2O3 按 0. 25Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-O. 75Pb0.95La0.05 (Zr0 5 3Ti。.47)。.98803化學(xué)計(jì)量比配料，于球磨中混料，球料水的重量比為2 1 0.5，球磨時(shí)間為池，再將原料烘干；(2)合成將步驟(1)烘干后的粉料放入氧化鋁坩堝內(nèi)，加蓋密封，于900°C合成池；(3)成型及排塑將步驟O)的合成料再次球磨、烘干，外加7wt%的聚乙烯醇水溶液進(jìn)行造粒，過(guò)篩后在400Mpa的壓強(qiáng)下壓制成型為坯體；然后以;TC /min的速率將坯體升溫至200°C，再以 1. 5°C /min速率從200°C升至400°C，在400°C保溫30min后，以5°C /min的速率升至650°C 并保溫lOmin，排出有機(jī)物；(4)燒結(jié)將步驟⑶排出有機(jī)物的坯體采用鋯鈦酸鉛粉料埋燒，以6°C /min速率升溫至 1270°C，保溫濁，隨爐冷卻；(5)燒銀將步驟(4)燒結(jié)好的壓電陶瓷片打磨至厚度為0.9 1. 1mm，采用絲網(wǎng)印刷工藝在其上、下表面印刷銀漿，置于加熱爐中，升溫至735°C并保溫lOmin，自然冷卻至室溫；(6)極化將步驟(5)的燒銀制品，置于60°C 180°C的硅油中，施加lKV/mm 3. 3KV/mm的直流電場(chǎng)，極化anin 40min，再將施加電場(chǎng)狀態(tài)的制品放入室溫的硅油中急冷，然后去除電場(chǎng)；(7)測(cè)試壓電性能將步驟(6)極化處理的壓電陶瓷片，于室溫下靜置24h后測(cè)試其壓電性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的高性能鑭摻雜鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)的球磨介質(zhì)為去離子水和瑪瑙球，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為750r/min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的高性能鑭摻雜鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)的聚乙烯醇水溶液的聚乙烯醇含量為7wt%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的高性能鑭摻雜鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)的坯體為直徑12mm，厚度1. 2mm 1. 4mm的圓片狀坯體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的高性能鑭摻雜鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(6)優(yōu)選的的極化條件為在140°C硅油中，施加2KV/mm直流電場(chǎng)，極化 IOmin0
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高性能鑭摻雜鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，步驟為(1)按0.25Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.75Pb0.95 La0.05(Zr0.53Ti0.47)0.988O3化學(xué)計(jì)量比配料；(2)合成；(3)成型及排塑；(4)燒結(jié)；(5)燒銀；(6)極化，極化溫度為60℃～180℃，極化電場(chǎng)為1kV/mm～3.3kV/mm的直流電場(chǎng)，極化時(shí)間為2min～40min，再將施加電場(chǎng)狀態(tài)的制品放入處于室溫的硅油中急冷，然后去除電場(chǎng)。本發(fā)明通過(guò)極化條件的調(diào)整，顯著提高了其壓電性能，d33＝550～600pC/N，Kp＝0.59～0.64。本發(fā)明可應(yīng)用于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器、發(fā)射型換能器等對(duì)壓電性能有較高要求的器件。
文檔編號(hào)C04B35/491GK102358699SQ201110211600
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月27日
發(fā)明者孫清池, 張 林, 王洪杰, 王耐清, 馬衛(wèi)兵 申請(qǐng)人:天津大學(xué)