專利名稱：一種添加物及其降低壓電陶瓷燒結(jié)溫度的用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無機非金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，特指一種添加物及其降低壓電陶瓷燒結(jié)溫度的用途，采用特殊的添加物L(fēng)iBiA+CuO+ ZnO-B2O3-Li2O-SiO2玻璃粉來降低壓電陶瓷的燒結(jié)溫度，得到低溫?zé)Y(jié)(90(T93(TC)高壓電性能的壓電陶瓷，該壓電陶瓷適合于制備壓電陶瓷蜂鳴片、多層壓電陶瓷器件、電聲轉(zhuǎn)換器、超聲傳感器等。同時能大大降低壓電陶瓷器件的成本，而且能抑制氧化鉛的揮發(fā)，符合環(huán)保要求。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷是一種可實現(xiàn)機械能與電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，被廣泛應(yīng)用于軍事、 汽車、商業(yè)和醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域；目前，由于無鉛壓電陶瓷的壓電性能與鋯鈦酸鉛(PZT)基壓電陶瓷相差較大，壓電陶瓷的生產(chǎn)仍集中于傳統(tǒng)的PZT基及其三元、四元系壓電陶瓷；但是PZT基陶瓷中氧化鉛的含量超過原料總質(zhì)量的60%以上，氧化鉛是一種易揮發(fā)性的有毒物質(zhì)，如果長時間工作在具有氧化鉛的環(huán)境中，這些氧化鉛將蓄積在人體內(nèi)，致使大腦和神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷；如將燒結(jié)溫度降低到90(T930°C左右，則可以抑制氧化鉛的揮發(fā)，符合環(huán)保要求，同時將可以敞燒，排膠和燒結(jié)一次性完成，簡化工藝，降低成本；同時能夠采用Ag/ Pd=90/l(T95/5 (重量百分比)合金電極作為多層壓電器件的內(nèi)電極，能大大降低成本；因此，實現(xiàn)PZT基壓電陶瓷低溫?zé)Y(jié)具有如下意義(1)可以降低能耗；(2)可以減少氧化鉛的揮發(fā)，避免壓電陶瓷組分的波動及偏離設(shè)計組成，提高產(chǎn)品的合格率，同時消除氧化鉛揮發(fā)所帶來的環(huán)境問題；(3)壓電陶瓷燒結(jié)過程中無需密封燒結(jié)，排膠燒結(jié)一次性完成，簡化工藝，降低成本；(4)在多層壓電器件制備中，降低燒結(jié)溫度，可以采用Ag或Ag含量高的 Pd/Ag合金等作為內(nèi)電極，降低多層壓電器件的成本，因此，研究PZT基壓電陶瓷的低溫?zé)Y(jié)具有重大意義。中國期刊《陜西師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》2007年第3期在"YMnO3摻雜四元系PZT-PFW-PMN壓電陶瓷電性能的研究” 一文中公開了一種低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷，其燒結(jié)溫度為1020°C，其壓電性能為壓電應(yīng)變常數(shù)d33=341pC/N，平面機電耦合系數(shù)Kp=O. 574，其壓電性能遠(yuǎn)低于本發(fā)明專利；采用YMnO3來降低燒結(jié)溫度，需要合成YMnO3,成本高而且工藝復(fù)雜，配方組成不同于本專利，降低燒結(jié)溫度的添加物不同于本專利。中國期刊《硅酸鹽學(xué)報》2006年第4期在“低溫?zé)Y(jié)ΡΖΤ-0. 5%Pb0 · WO3壓電陶瓷”一文中公開了一種低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷，其燒結(jié)溫度為1100°c，其壓電和介電性能為 d33=364pC/N, Kp=O. 596，介電常數(shù)為1593 ；其壓電性能遠(yuǎn)低于本發(fā)明專利，采用I^bO · WO3摻雜改性PZT以降低燒結(jié)溫度，配方組成不同于本專利，降低燒結(jié)溫度的添加物不同于本專利。中國期刊《中國陶瓷》2006年第6期在"BiFeO3對0. 02PNW-0. 07MnN_0. 91PZT低溫?zé)Y(jié)陶瓷微觀結(jié)構(gòu)和壓電性能的影響” 一文中公開了一種低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷，其燒結(jié)溫度為950°C，其壓電性能為d33=320pC/N，Kp=0. 50，其壓電性能遠(yuǎn)低于本發(fā)明專利，它是采用Bii^eO3來降低燒結(jié)溫度，需要合成Bii^eO3，成本高而且工藝復(fù)雜，降低燒結(jié)溫度的添加物不同于本專利，配方組成不同于本專利。降低燒結(jié)溫度的添加物不同于本專利。中國2005年學(xué)位論文(作者路朋獻(xiàn))“PZT基壓電陶瓷的摻雜改性和低溫?zé)Y(jié)研究”公開了一種低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷，其配方體系為0.2PZN-0.8PZT和 0. 02PNW-0. 07PMN-0. 91PZT,最佳性能為介電常數(shù)為 1952，d33=312pC/N, Kp=O. 498，其壓電性能遠(yuǎn)低于本發(fā)明專利，它是采用BWeO3來降低燒結(jié)溫，需要合成BWeO3，成本高而且工藝復(fù)雜，配方組成不同于本專利，降低燒結(jié)溫度的添加物不同于本專利。中國2005年第i^一屆全國電介質(zhì)物理、材料與應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文“五元系PMMSN 壓電陶瓷材料及其低溫?zé)Y(jié)”公開了一種低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷，其配方體系為I^b(Mgv3Nlv3) O3-Pb (Mnl73Nb273) O3-Pb (Mnl73Sb273) O3-Pb (Zr, Ti) O3,得到 1100°C燒結(jié)具有如下性能的壓電陶瓷介電常數(shù)為Π49，d33=326pC/N, Kp=O. 56 ；加入SW2和Cd可使燒結(jié)溫度降低到850°C 9500C，基本保持了材料性能，其壓電性能遠(yuǎn)低于本專利的壓電性能，配方組成不同于本專禾IJ，降低燒結(jié)溫度的添加物不同于本專利。另有專利“摻雜鈮錳酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料及其制備工藝”(專利申請?zhí)?2004100163 . 0)，它是以鈮錳酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷為基體，獲得能在中、低溫?zé)Y(jié)。其壓電性能遠(yuǎn)低于本發(fā)明專利，1050°C保溫2 4小時燒結(jié)的壓電陶瓷性能為Κρ=0. 56，介電常數(shù)為1300，機械品質(zhì)因素為1450，配方組成不同于本專利，其壓電性能遠(yuǎn)低于本專利的壓電性能，降低燒結(jié)溫度的添加物不同于本專利。還有專利“低溫?zé)Y(jié)獨石壓電陶瓷變壓器”(專利申請?zhí)?6201450)，它是采用在 PZT基料中加入硼-鉍-鎘低熔玻璃來實現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)，其主要用于制備獨石壓電陶瓷變壓器，該專利公布的是獨石壓電陶瓷變壓器，關(guān)于材料配方和性能未涉及，配方組成不同于本專利，降低燒結(jié)溫度的添加物不同于本專利。還有專利“一種用于降低電聲轉(zhuǎn)換器壓電陶瓷燒結(jié)溫度添加物”(專利申請?zhí)?200810155055. 4)，它是采用V205、Li2C03、ZnO來降低燒結(jié)溫度，燒結(jié)溫度比本專利高，降低燒結(jié)溫度的添加物不同于本專利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能降低壓電陶瓷燒結(jié)溫度的添加物。本發(fā)明的目的是這樣來實現(xiàn)的
以鈮鋅-鈮鎳-鋯鈦酸鉛(PZN-PNN-PZT)為基本配方體系，基本配方體系中加入基本配方體系重量1 11%的添加物，添加物中的組份以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計LiBiA44 65%，Cu0 廣20%，ZnO-B2O3-Li2O-SiO2玻璃粉25、5%，采用常規(guī)的含鉛壓電陶瓷制備工藝，即采用常規(guī)的壓電陶瓷化學(xué)原料，按配方配料、球磨混合、烘干后、過篩、合成，然后球磨、烘干、過篩，力口入粘合劑造粒，過40目篩，再壓制成生坯片，在空氣中排膠燒結(jié)，獲得壓電陶瓷，上電極，測試性能。上述降低壓電陶瓷燒結(jié)溫度的添加物及其加入量最好采用下列三種方案(重量百分比)
(1)添加物的加入量為基本配方體系重量的1 11%，添加物中的組份以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計LiBi&44 65%，CuO 1 20%，ZnO-B2O3-Li2O-SiO2 玻璃粉 25 45%。(2)添加物的加入量為基本配方體系重量的2 8%，添加物中的組份以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計LiBi0246 63%，Cu02 18%，ZnO-B2O3-Li2O-SiO2 玻璃粉 27 43%。(3)添加物的加入量為基本配方體系重量的3 7%，添加物中的組份以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計LiBi0247 60%，Cu05 16%，ZnO-B2O3-Li2O-SiO2 玻璃粉沘 40%。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有如下優(yōu)點
1、本專利獲得的壓電陶瓷實現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為90(T93(rc，降低燒結(jié)溫度的添加物成分簡單、成本低，低溫?zé)Y(jié)能抑制氧化鉛的揮發(fā)，符合環(huán)保要求。2、在壓電陶瓷燒結(jié)過程中，采用敞燒，排膠和燒結(jié)一次性完成，簡化工藝，降低成本，采用Ag/Pd=90/l(T95/5 (重量百分比)合金電極作為多層壓電器件的內(nèi)電極，也能大大降低成本。3、與其它的低溫?zé)Y(jié)的壓電陶瓷相比，本專利的低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷的壓電性能
尚ο4、本專利采用常規(guī)的壓電陶瓷的制備工藝即可進(jìn)行制備，制備工藝簡單，容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
具體實施例方式現(xiàn)在結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。表1、2給出本發(fā)明的二組實施例6個配方。以鈮鋅-鈮鎳-鋯鈦酸鉛(PZN-PNN-PZT)為基本配方體系，鈮鋅-鈮鎳-鋯鈦酸鉛為 (Znl73Nb 2/3) ο. ι (Ni1Z3Nb2Z3) ο. iZr0_ 47Ti0.33)， 重量為100克。二組實施例6個配方的主要原料采用壓電陶瓷常用原料，按配方配料，將配好的料用無水乙醇作為介質(zhì)采用行星球磨機球磨混合，料球乙醇=1 3 (0. 6^0. 9)，球磨時間為6、小時，烘干得到干粉料，過篩、預(yù)燒，采用行星球磨機球磨粉碎，料球水=1 3 (0. 6^0. 9)，烘干，過篩，在粉料中加入占其重量14 20%的濃度為5 10%的聚乙烯醇溶液，進(jìn)行軋膜成型和沖片，形成坯片，然后在90(T93(TC保溫1小時進(jìn)行排膠和燒結(jié)(敞燒)，再在 78(T820°C下保溫15分鐘進(jìn)行燒銀，形成銀電極；在如下極化條件極化在3、kV/mm的電場作用下，極化溫度為11(T125°C，極化時間為15 20分鐘，極化完成后放置48小時后測試介電和壓電性能，二組實施例6個配方試樣的介電和壓電性能列于表3。LiBiO2的制備過程如下將Bi2O3和Li2CO3以1 :1的摩爾比例的料混合研磨混勻， 混合料放在剛玉坩堝內(nèi)在800°C至820°C下保溫30分鐘制備LiBiO2,冷卻后研磨直到過200 目篩，留以備用。ZnO-B2O3-Li2O-SiO2 玻璃粉的制備過程如下將 ZnO =B2O3 =Li2CO3 =SiO2 以 1 :3 :1 0. 5的摩爾比例的料混合研磨混勻，混合料放在剛玉坩堝內(nèi)在830°C至850°C下保溫40分鐘，隨后到入冷水中淬冷，干燥以后研磨直到過200目篩，留以備用。表1添加物的加入量及成份
權(quán)利要求
1.一種添加物，其特征在于添加物中的組分以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計LiBi&4r65%，CuO 廣20%，ZnO-B2O3-Li2O-SiO2 玻璃粉 25 45%。
2.如權(quán)利要求1所述的一種添加物，其特征在于添加物中的組分以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計 LiBi0246"63%, Cu02 18%，ZnO-B2O3-Li2O-SiO2 玻璃粉 27 43%。
3.如權(quán)利要求1所述的一種添加物，其特征在于添加物中的組分以質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計 LiBi0247"60%, Cu05 16%，ZnO-B2O3-Li2O-SiO2 玻璃粉沘 40%。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的一種添加物，其特征在于=LiB^2的制備過程如下將 Bi2O3和Li2CO3以1 :1的摩爾比例的料混合研磨混勻，混合料放在剛玉坩堝內(nèi)在800°C至 820°C下保溫30分鐘制備LiBiO2，冷卻后研磨直到過200目篩，留以備用。
5.如權(quán)利要求1、2或3所述的一種添加物，其特征在于=ZnO-B2O3-Li2O-SiO2玻璃粉的制備過程如下將ZnO =B2O3 =Li2CO3 =SiO2以1 :3 :1 :0. 5的摩爾比例的料混合研磨混勻，混合料放在剛玉坩堝內(nèi)在830°C至850°C下保溫40分鐘，隨后到入冷水中淬冷，干燥以后研磨直到過200目篩，留以備用。
6.如權(quán)利要求1所述的一種添加物在降低壓電陶瓷燒結(jié)溫度的用途，其特征在于以鈮鋅-鈮鎳-鋯鈦酸鉛(PZN-PNN-PZT)為基本配方體系，基本配方體系中加入基本配方體系重量1 11%的添加物，采用常規(guī)的含鉛壓電陶瓷制備工藝，按配方配料、球磨混合、烘干后、過篩、合成，然后球磨、烘干、過篩，加入粘合劑造粒，過40目篩，再壓制成生坯片，在空氣中排膠燒結(jié)，獲得壓電陶瓷。
7.如權(quán)利要求6所述的一種添加物在降低壓電陶瓷燒結(jié)溫度的用途，其特征在于所述鈮鋅-鈮鎳-鋯鈦酸鉛為 (Znl73Nb 2/3) ο. ι (Ni1Z3Nb2Z3) ο. iZr0_ 47Ti0.33)。
8.如權(quán)利要求6所述的一種添加物在降低壓電陶瓷燒結(jié)溫度的用途，其特征在于添加物為基本配方體系重量的2 8%%。
9.如權(quán)利要求6所述的一種添加物在降低壓電陶瓷燒結(jié)溫度的用途，其特征在于添加物為基本配方體系重量的3 7%。
10.如權(quán)利要求6所述的一種添加物在降低壓電陶瓷燒結(jié)溫度的用途，其特征在于按配方配料，將配好的料用無水乙醇作為介質(zhì)采用行星球磨機球磨混合，料球乙醇=1 3 (0. 6^0. 9)，球磨時間為6、小時，烘干得到干粉料，過篩、預(yù)燒，采用行星球磨機球磨粉碎， 料球:7jC =1 :3:(0. 6 0. 9)，烘干，過篩，在粉料中加入占其重量14 20%的濃度為5 10%的聚乙烯醇溶液，進(jìn)行軋膜成型和沖片，形成坯片，然后在9(KT93(TC保溫1小時進(jìn)行排膠和AmS口 °
全文摘要
本發(fā)明涉及無機非金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，特指一種添加物及其降低壓電陶瓷燒結(jié)溫度的用途，以鈮鋅-鈮鎳-鋯鈦酸鉛(PZN-PNN-PZT)為基本配方體系，基本配方體系中加入基本配方體系重量1～11%的添加物，添加物中(質(zhì)量)LiBiO244~65%，CuO1~20%，ZnO-B2O3-Li2O-SiO225~45%。添加本發(fā)明所制備的低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷的性能為介電常數(shù)為2500~3000，介質(zhì)損耗為小于等于2.0%，平面機電耦合系數(shù)大于等于65%，壓電應(yīng)變常數(shù)大于等于420pC/N,機械品質(zhì)因素為100~400，燒結(jié)溫度為900~930℃。本發(fā)明能降低壓電陶瓷的燒結(jié)溫度,得到低溫?zé)Y(jié)(900~930℃)高壓電性能的壓電陶瓷，大大降低壓電陶瓷器件的成本，而且能抑制氧化鉛的揮發(fā)，符合環(huán)保要求。
文檔編號C04B35/49GK102531638SQ20121000116
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者王韶華, 蔣瑞各, 高春華, 黃新友 申請人:江蘇大學(xué)