專利名稱：一種制備鈦鋯酸鉛壓電陶瓷粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備鈦鋯酸鉛壓電陶瓷粉體的方法。
背景技術(shù)：
鈦鋯酸鉛(Pb (ZrxTih) O3簡稱ΡΖΤ，0〈χ〈1)陶瓷是由PbZrO3和PbTiO3構(gòu)成的二元系鈣鈦礦結(jié)構(gòu)固溶體，因其具有鐵電性、壓電性、熱釋電效應(yīng)、聲光效應(yīng)等一系列良好的性能，而廣泛應(yīng)用于鐵電存儲器、微電子機械系統(tǒng)等領(lǐng)域，是目前應(yīng)用最廣泛的壓電鐵電陶瓷材料。當(dāng)鈦鋯比處于三方相和四方相之間的準(zhǔn)同型相界(MPB)附近，即Zr/Ti比為
0.48-0.52范圍內(nèi)，其壓電系數(shù)、機電耦合細(xì)數(shù)、介電常數(shù)和自發(fā)極化率均達到峰值，具有良好的性能。但是傳統(tǒng)固相法制備PZT基壓電陶瓷的燒結(jié)溫度一般比較高，均為1200-1300°C，而鉛的揮發(fā)溫度在800°C左右，在燒結(jié)過程中容易造成鉛的揮發(fā)，鉛的揮發(fā)不僅會導(dǎo)致設(shè)計配方偏離，產(chǎn)生惡化壓電陶瓷性能的異相，影響陶瓷性能，使產(chǎn)品性能下降而且會嚴(yán)重污染環(huán)境，因此人們研究各種方法來防止或者減少樣品中的鉛的揮發(fā)。目前，降低燒結(jié)溫度的方法主要包括兩種:一是摻雜，通過在壓電陶瓷中加入低熔點物質(zhì)來降低燒結(jié)溫度；二是通過改進燒結(jié)工藝或制備工藝來降低燒結(jié)溫度。在本專利中，我們通過改進傳統(tǒng)的固相法，從而降低燒結(jié)溫度。

發(fā)明內(nèi)容
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本發(fā)明的目的在于提供一種制備鈦鋯酸鉛壓電陶瓷粉體的方法，它具有工藝過程簡單、能耗低、低污染的優(yōu)點，是一種綠色化工生產(chǎn)工藝。本發(fā)明提供的一種制備鈦鋯酸鉛壓電陶瓷粉體的方法，包括如下步驟:
(1)按化學(xué)式Pb(ZrxTih) O3 (0<χ<1)的化學(xué)計量比準(zhǔn)確稱量鉛鹽、偏鈦酸、碳酸鋯，再加入與Pb2+、Zr4+和Ti4+等摩爾比的草酸，混合均勻；
(2)在室溫中將混合物放入攪拌球磨機內(nèi)，進行攪拌球磨8 12h，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物經(jīng)鼓風(fēng)干燥箱在70 110°C干燥；
(3)將干燥后的粉體放到高溫爐中進行預(yù)燒，預(yù)燒溫度為500 800°C，隨爐冷卻2h后取出；
(4)將預(yù)燒后的粉體二次研磨，加入5wt%的聚乙烯醇(PVA)作為粘結(jié)劑，均勻混合后，在20 30MPa壓力下加壓成型，獲得陶瓷坯體；
(5)將上述坯體在650°C下排膠0.5h，然后在高溫爐中950 1150°C燒結(jié)，隨爐冷卻2h后取出，獲得壓電陶瓷元件；
(6)壓電陶瓷元件的兩面均勻涂滿銀漿，在850°C下燒銀，保溫0.5h ；
(7)將被銀后的壓電陶瓷元件進行極化，極化時間為15min，極化溫度為100 150°C，極化電場為2 4KV/mm，靜置24h后得到鈦鋯酸鉛壓電陶瓷。上述步驟(I)中，鉛鹽為乙酸鉛或堿式碳酸鉛；鈦源采用硫酸法制備鈦白粉生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的偏鈦酸或者由硫酸氧鈦水解得到的偏鈦酸。上述步驟(I)中，上述鉛鹽、碳酸鋯、偏鈦酸及草酸的純度使用工業(yè)級及以上純度級別的原料。上述步驟(I)中，加入0.1 0.5wt%的鈰、錳、鑭或釔金屬進行摻雜改性。其他操作工藝不變，可以低溫制備出PZT壓電陶瓷，且性能有所提高。上述步驟(3)中，預(yù)燒時間為I 6h。上述步驟(5)中，高溫?zé)Y(jié)時間為I 6h。本發(fā)明的有益效果:
(1)本發(fā)明選取鉛鹽、碳酸鋯、偏鈦酸及草酸為原料，在室溫中球磨發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，較傳統(tǒng)固相法低污染、低能耗、粒徑均勻細(xì)小，且無廢水污染；
(2)燒結(jié)溫度低，較傳統(tǒng)方法大大降低了燒結(jié)溫度，從而極大地減少了鉛的揮發(fā)，減少了污染；
(3)本發(fā)明具有工藝過程簡單、能耗低、低污染的優(yōu)點，是一種綠色化工生產(chǎn)，可低成本、連續(xù)地規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)工藝。(4)本發(fā)明的產(chǎn)品壓電性能穩(wěn)定，壓電常數(shù)d33可達372pC/N。


圖1實施例1制備的Pb (Zra52Tia48O3)壓電陶瓷的TG-DTA譜圖。圖2實施例1制備的Pb(Zra52Tia48O3)壓電陶瓷的XRD譜圖。圖3本發(fā)明的工藝方法框圖。
具體實施例方式下面以具體實施例進一步說明本發(fā)明。但本發(fā)明并不局限于具體實施例。實施例1
按以下工藝低溫合成Pb (Zra52Tia48)O3壓電陶瓷。(I)按化學(xué)式 PbZrxTihO3 (0〈χ〈1)，稱量 0.6mol 偏鈦酸(TiO (OH) 2)，0.4mol 碳酸鋯(ZrOCO3), Imol乙酸鉛和2mol的草酸，混合均勻后球磨10h，放入鼓風(fēng)干燥箱80°C干燥，
(2)將干燥后的粉體放到高溫爐中預(yù)燒，預(yù)燒溫度為750°C，預(yù)燒2h后隨爐冷卻2h取出來；
(3)將預(yù)燒后的粉體二次研磨，并且加入5wt%的PVA溶液作為粘結(jié)劑，均勻混合后在25MPa壓力下加壓成型，可獲得陶瓷生坯體。(4)將上述坯體在650°C下排膠0.5h，放入剛玉坩堝在高溫爐中，終燒溫度為9500C，終燒時間2h，隨爐冷卻2h后取出，得到淡黃色的PZT陶瓷片；
(5)經(jīng)打磨清洗后，在PZT陶瓷片的兩面均勻涂滿銀漿，在850°C下燒銀，保溫0.5h ;將被銀后的壓電陶瓷元件以2KV/_的直流電場在硅油中極化15min，溫度為120°C，極化，靜置24h后測量壓電系數(shù)d33，d33=372Pc/N。

實施例2
按以下工藝低溫合成Pb (Zra52Tia48)O3壓電陶瓷。(I)按化學(xué)式 PbZrxTihO3 (0〈χ〈1 )，稱量 0.6mol 偏鈦酸(TiO(OH)2)，0.4mol 碳酸鋯(ZrOCO3), 0.Smol堿式碳酸鉛和1.Smol的草酸，混合均勻后球磨12h，放入鼓風(fēng)干燥箱80°C干燥，
(2)將干燥后的粉體放到高溫爐中預(yù)燒，預(yù)燒溫度為750°C，預(yù)燒2h后隨爐冷卻2h取出來；
(3)將預(yù)燒后的粉體二次研磨，并且加入5wt%的PVA溶液作為粘結(jié)劑，均勻混合后在25MPa壓力下加壓成型，可獲得陶瓷生坯體。(4)將上述坯體在650°C下排膠0.5h，放入剛玉坩堝在高溫爐中，終燒溫度為9500C，終燒時間2h，隨爐冷卻2h后取出，得到淡黃色的PZT陶瓷片；
(5)在PZT陶瓷片的兩面均勻涂滿銀漿，在850°C下燒銀，保溫0.5h ;將被銀后的壓電陶瓷元件以4KV/mm的直流電場在硅油中極化15min，溫度為150°C，極化，靜置24h后測量壓電系數(shù)。實施例3
按以下工藝低溫合成摻雜改性的Pb (Zra52Tia48)O3壓電陶瓷。(I)按化學(xué)式 PbZrJihO^CKxU)，稱量 0.6mol 偏鈦酸(Ti0(0H)2)，0.4mol 碳酸錯(ZrOCO3),0.8mol堿式碳酸鉛，1.8mol的草酸和0.005gCe02,混合均勻后球磨12h,放入鼓風(fēng)干燥箱80°C干燥；
(2)將干燥后的粉體放到高溫爐中預(yù)燒，預(yù)燒溫度為750°C，預(yù)燒2h后隨爐冷卻2h取出來；
(3)將預(yù)燒后的粉體二次研磨，并且加入5wt%的PVA溶液作為粘結(jié)劑，均勻混合后在25MPa壓力下加壓成型，可 獲得陶瓷生坯體；
(4)將上述坯體在650°C下排膠0.5h，放入剛玉坩堝在高溫爐中，終燒溫度為950°C，終燒時間2h，隨爐冷卻2h后取出，得到淡黃色的PZT陶瓷片；
(5)在PZT陶瓷片的兩面均勻涂滿銀漿，在850°C下燒銀，保溫0.5h ;將被銀后的壓電陶瓷元件以2KV/mm的直流電場在硅油中極化15min，溫度為120°C，極化，靜置24h后測量壓電系數(shù)。實施例4-12
以偏鈦酸TiO (OH)2、碳酸鋯Zr0C03、乙酸鉛和草酸為原料，嚴(yán)格按照上述的工藝步驟，通過正交試驗(L9(34))改變實驗的影響因素:配比、研磨時間、預(yù)燒溫度、終燒溫度，可得到以下實驗結(jié)果:
權(quán)利要求
1.一種制備鈦鋯酸鉛壓電陶瓷粉體的方法，其特征在于包括如下步驟: (1)按化學(xué)式Pb(ZrxTih) O3 (0<χ<1)的化學(xué)計量比準(zhǔn)確稱量鉛鹽、偏鈦酸、碳酸鋯，再加入與Pb2+、Zr4+和Ti4+等摩爾比的草酸，混合均勻； (2)在室溫中將混合物放入攪拌球磨機內(nèi)，進行攪拌球磨8 12h，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物經(jīng)鼓風(fēng)干燥箱在70 110°C干燥； (3)將干燥后的粉體放到高溫爐中進行預(yù)燒，預(yù)燒溫度為500 800°C，隨爐冷卻2h后取出； (4)將預(yù)燒后的粉體二次研磨，加入5wt%的聚乙烯醇作為粘結(jié)劑，均勻混合后，在20 30MPa壓力下加壓成型，獲得陶瓷坯體； (5)將上述坯體在650°C下排膠0.5h，然后在高溫爐中950 1150°C燒結(jié)，隨爐冷卻2h后取出，獲得壓電陶瓷元件； (6)壓電陶瓷元件的兩面均勻涂滿銀漿，在850°C下燒銀，保溫0.5h ； (7)將被銀后的壓電陶瓷元件進行極化，極化時間為15min，極化溫度為100 150°C，極化電場為2 4KV/mm，靜置24h后得到鈦鋯酸鉛壓電陶瓷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:上述步驟(I)中，鉛鹽為乙酸鉛或堿式碳酸鉛；鈦源采用硫酸法制備鈦白粉生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的偏鈦酸或者由硫酸氧鈦水解得到的偏鈦酸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:上述步驟(I)中，上述鉛鹽、碳酸鋯、偏鈦酸及草酸的純度使用工業(yè)級及以上純度級別的原料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:上述步驟(I)中，加入0.1 0.5wt%的鈰、錳、鑭或釔金屬進行摻雜改性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:上述步驟(3)中，預(yù)燒時間為I 6h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:上述步驟(5)中，高溫?zé)Y(jié)時間為I 6h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備鈦鋯酸鉛壓電陶瓷粉體的方法，其制備方法是以鉛鹽、偏鈦酸、碳酸鋯和草酸為原料，充分混合均勻，經(jīng)球磨攪拌、干燥、粉碎細(xì)磨后，在500～800℃預(yù)燒，預(yù)燒后的粉體經(jīng)球磨后，加入聚乙烯醇作為粘結(jié)劑，加壓成型，650℃下排膠0.5h，然后在高溫爐中950～1150℃燒結(jié)，經(jīng)過干燥后涂銀，將被銀后的壓電陶瓷元件進行極化，靜置24h后得到鈦鋯酸鉛壓電陶瓷；本發(fā)明與傳統(tǒng)固相法制備PZT壓電陶瓷相比，制備工藝簡單、能耗低、成本低，特別是，本發(fā)明方法降低了燒結(jié)溫度，產(chǎn)品壓電性能穩(wěn)定，壓電常數(shù)d33可達372pC/N。
文檔編號C04B35/626GK103086715SQ20131000099
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月5日
發(fā)明者李大光, 練澎, 傅維勤, 張小鳳, 周舟 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)