專利名稱：高性能鑭摻雜pzn-pzt壓電陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于壓電陶瓷的制備方法，尤其涉及ー種具有改進燒銀エ藝的鑭摻雜鋅鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛(PZN-PZT)壓電陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
壓電陶瓷是ー種實現(xiàn)機械能與電能相互轉(zhuǎn)化的功能陶瓷材料，它既具有鐵電陶瓷的一般性能，又具有獨特的壓電性能。壓電陶瓷材料由于具有獨特的壓電性能，優(yōu)異的機電耦合性能及介電性和弾性性能，且制備エ藝簡單、體積小、不受電磁干擾、成本低等特點，因此在航天、信息、生物、精密儀器等高新技術(shù)領(lǐng)域及エ業(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年代開始研制的ー種新型壓電器件，具有升壓比高、重量輕、體積小、驅(qū)動電壓低、無泄漏電磁場等優(yōu)點，目前壓電變壓器已用于電子計算機顯示設(shè)備、雷達顯示器、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、測量儀器等。在科學(xué)和エ農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個方面需要把檢測到的非電學(xué)量信息變成電學(xué)量，以便于放大、運算、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、壓電陶瓷流量計、壓電電子稱、壓電計數(shù)器、結(jié)霜傳感器、表面粗糙度測量儀、擺鐘綜合測試儀和磨削接觸檢測儀等。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エ藝兩個方面，去調(diào)節(jié)PZN-PZT的壓電等綜合性能。配方主要是通過“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械品質(zhì)因數(shù)及小的介電損耗。本發(fā)明g在獲得高的壓電性能，所以選擇鑭摻雜(“軟性”摻雜)的配方。エ藝是從球磨、合成、成型、燒結(jié)、極化等方面去改善材料的性能。但是，陶瓷表面的金屬化，即燒銀エ藝也是重要的エ藝之一。燒銀的目的是在高溫作用下瓷件表面上形成連續(xù)、致密、附著牢固、導(dǎo)電性良好的銀層。同時，燒銀處理的好壞也直接影響后序的極化工藝，進而影響陶瓷的壓電性能。目前，對于壓電陶瓷的燒銀エ藝和燒銀エ藝對性能的影響的研究較少。事實上，不同的燒銀エ藝對壓電陶瓷的性能具有明顯的影響，適合的燒銀エ藝可以得到較好的性能。因此燒銀エ藝也是壓電陶瓷制備エ藝中的重點。

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，提供ー種獲得更高壓電性能的鑭摻雜PZN-PZT壓電陶瓷的制備方法。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)
(I)配料將原料Pb304、ZnO> Nb205、Zr02、Ti02、La2O3 按 0. 25Pb (Zn1/3Nb2/3)03-0. TSPlvxLax(ZrzTih)O3，式中 x = 0· 03 0· 07，ζ = O. 49 O. 57 的化學(xué)計量比配料，于球磨罐中混料，球料水的重量比為2:1:0. 5，球磨時間為3h，再將原料烘干；⑵合成將步驟(I)烘干后的粉料放入氧化鋁坩堝內(nèi)，加蓋密封，于900°C合成2h ；(3)成型及排塑 將步驟(2)的合成料再次球磨、烘干，外加5wt% 7wt%的聚こ烯醇水溶液進行造粒，過篩后在400Mpa的壓強下壓制成型為坯體；然后以3°C /min的速率將坯體升溫至200°C，再以 I. 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，排出有機物；(4)燒結(jié)將步驟(3)排出有機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2h，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O. 9 I. 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500 900°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80°C的硅油中，施加3. 3KV/mm的直流電場，極化15min,再將施加電場狀態(tài)的制品放入處于室溫的娃油中急冷,然后去除電場；(7)測試壓電性能將步驟(6)極化處理的壓電陶瓷片，于室溫下靜置24h后測試其壓電性能。所述步驟(I)的球磨介質(zhì)為去離子水和瑪瑙球，球磨機的轉(zhuǎn)速為750r/min。所述步驟(3)的聚こ烯醇水溶液的聚こ烯醇含量為7wt%。所述步驟(3)的還體為直徑12mm,厚度I. 2mm I. 4mm的圓片狀還體。所述步驟(5)優(yōu)選的的燒銀エ藝為燒銀溫度850°C，保溫時間為lOmin。本發(fā)明的有益效果是，通過改進PZN-PLZT壓電陶瓷的燒銀エ藝，顯著提高了其壓電性能，d33 = 550 600pC/N，Kp = O. 59 O. 64。該配方壓電陶瓷的一般性能為d33 ^ 570pC/N, Kp O. 60。
具體實施例方式本發(fā)明采用市售的化學(xué)純原料(純度彡99% )，為Pb304、ZnO、Nb2O5, ZrO2, TiO2和
LBoUo O具體步驟如下(I)配料將原料Pb304、ZnO> Nb205、Zr02、Ti02、La2O3 按 0. 25Pb (Zn1/3Nb2/3)O3-O. TSPlvxLax(ZrzTih)O3，式中 x = 0· 03 0· 07，ζ = O. 49 O. 57 的化學(xué)計量比配料，于球磨中混料，球料水的重量比為2 I 0. 5，球磨時間為3h，再將原料烘干；⑵合成
將步驟(I)烘干后的粉料放入氧化鋁坩堝內(nèi)，加蓋密封，于900°C合成2h ；(3)成型及排塑將步驟(2)的合成料再次球磨、烘干，外加5wt% 7wt%的聚こ烯醇水溶液進行造粒，過篩后在400Mpa的壓強下壓制成型為坯體；然后以3°C /min的速率將坯體升溫至200°C，再以 I. 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，排出有機物；(4)燒結(jié)將步驟(3)排出有機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2h，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O. 9 I. 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，在不同的燒銀エ藝下進行燒銀。燒銀保溫時間為lOmin，燒銀溫度為 500°C、600°C、650°C、700°C、800°C、850°C、900°C，分別記為實施例1-1、1-2、1-3、1-4、ト5、ト6、ト7。(6)極化將步驟(5)的燒銀制品，置于80°C的硅油中，施加3. 3KV/mm的直流電場，極化15min，再將施加電場狀態(tài)的制品放入室溫的硅油中急冷，然后去除電場；(7)測試壓電性能將步驟(6)極化處理的壓電陶瓷片，于室溫下靜置24h后測試其壓電性能。具體測試結(jié)果詳見表I表I
權(quán)利要求
1.ー種高性能鑭摻雜PZN-PZT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 O. 25Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-O. 75PVxLax (ZrzTi1JO3,式中X = O. 03 O. 07, z = O. 49 O. 57的化學(xué)計量比配料,于球磨機中混料，球料水的重量比為2 I O. 5，球磨時間為3h，再將原料烘干； (2)合成 將步驟(I)烘干后的粉料放入氧化鋁坩堝內(nèi)，加蓋密封，于900°C合成2h; (3)成型及排塑 將步驟(2)的合成料再次球磨、烘干,外加5wt% 7wt%的聚こ烯醇水溶液進行造粒，過篩后在400Mpa的壓強下壓制成型為坯體；然后以3°C /min的速率將坯體升溫至200°C，再以I. 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，排出有機物； (4)燒結(jié) 將步驟⑶排出有機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2h，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O. 9 I. 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500 900°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80°C的硅油中，施加3. 3KV/mm的直流電場，極化15min，再將施加電場狀態(tài)的制品放入室溫的硅油中急冷，然后去除電場； (7)測試壓電性能 將步驟(6)極化處理的壓電陶瓷片，于室溫下靜置24h后測試其壓電性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的高性能鑭摻雜PZN-PZT壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)的球磨介質(zhì)為去離子水和瑪瑙球，球磨機的轉(zhuǎn)速為750r/min。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的高性能鑭摻雜PZN-PZT壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)的聚こ烯醇水溶液的聚こ烯醇含量為7wt%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的高性能鑭摻雜PZN-PZT壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)的還體為直徑12mm,厚度I. 2mm I. 4mm的圓片狀還體。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的高性能鑭摻雜PZN-PZT壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(5)優(yōu)選的的燒銀エ藝為燒銀溫度850°C，保溫時間為lOmin。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高性能鑭摻雜PZN-PZT壓電陶瓷的制備方法，步驟為(1)按0.25Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.75Pb1-xLax(ZrzTi1-z)O3，式中x＝0.03～0.07，z＝0.49～0.57的化學(xué)計量比配料；(2)合成；(3)成型及排塑；(4)燒結(jié)；(5)燒銀溫度為500～900℃，保溫時間為10min；(6)極化。本發(fā)明通過燒銀工藝的調(diào)整，顯著提高了壓電性能。最佳壓電性能為500℃燒銀，保溫10min，d33＝671pC/N，Kp＝0.627，ε33T/εo＝4712，tgδ＝3.23％；最佳綜合壓電性能為850℃燒銀，保溫10min，d33＝622pC/N，Kp＝0.626，ε33T/εo＝4535，tgδ＝1.83％。本發(fā)明可應(yīng)用于壓電陶瓷驅(qū)動器、發(fā)射型換能器等對壓電性能有較高要求的器件。
文檔編號C04B35/622GK102643091SQ20121001418
公開日2012年8月22日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者孫清池, 王麗婧, 王耐清, 馬衛(wèi)兵 申請人:天津大學(xué)