一種鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，化學(xué)計(jì)量式為：0.7Pb(ZrxTi1-x)O3-yPb(Zn1/3Nb2/3)O3-(0.3-y)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3，其中，0.44≦x≦0.47，0.07≦y≦0.13，采用傳統(tǒng)固相法制備了具有良好綜合性能的壓電陶瓷。本發(fā)明滿足了高壓電系數(shù)（d33=500-650pC/N）、高居里溫度（Tc＞250℃）和低損耗（﹤2%），在室溫下具有極高的應(yīng)變能力（0.8kV/mm交變電場下對(duì)應(yīng)0.25%應(yīng)變量）。在1120-1180℃燒結(jié)具有較小的晶粒尺寸，有助于提高抗老化性能。本發(fā)明適用于較大溫度范圍內(nèi)的大應(yīng)變應(yīng)用，在微位移驅(qū)動(dòng)器、補(bǔ)償器和制動(dòng)器領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】一種鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種以成分為特征的陶瓷組合物，特別涉及一種鋯鈦酸鉛(PZT)基壓電陶瓷材料制備和應(yīng)用，尤其涉及壓電陶瓷高溫條件下的大應(yīng)變應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]PZT壓電陶瓷是一種重要的功能材料，廣泛應(yīng)用于電子元器件、微位移控制和微型超聲電機(jī)等領(lǐng)域。PZT陶瓷由于具有較高的居里溫度和良好的壓電介電性能，在壓電陶瓷領(lǐng)域仍占據(jù)主導(dǎo)地位。在PZT陶瓷基礎(chǔ)上，多元系壓電陶瓷如PZT-PZN、PZT-PNN、PZT-PMN等具有更高壓電性能的體系相繼被開發(fā)應(yīng)用。
[0003]PZT基壓電陶瓷制備過程中因粉體煅燒和坯體燒結(jié)溫度較高，易引起鉛揮發(fā)，造成成分偏離和性能惡化。為了避免鉛的揮發(fā)，一種方案是通過添加燒結(jié)助劑降低燒結(jié)溫度，但是通常燒結(jié)助劑會(huì)引起性能的顯著降低；另一種方案是燒結(jié)工藝的改進(jìn)，包括氣氛片、埋燒以及比較復(fù)雜的雙層坩堝密封技術(shù)等，更加簡潔有效的保持鉛氣氛在壓電陶瓷燒結(jié)過程中有待于改進(jìn)。
[0004]在微位移控制應(yīng)用領(lǐng)域，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，高壓電性能的PZT基陶瓷元件廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)器、補(bǔ)償器和制動(dòng)器等。為了保證壓電陶瓷元件在較低驅(qū)動(dòng)電壓下獲得大應(yīng)變量，要求壓電陶瓷具有高的壓電系數(shù)(d33);為了滿足在較高工作溫度下的應(yīng)用，要求壓電陶瓷體系具有較高的相變溫度，即居里溫度T。；同時(shí)介電損耗(tan δ )需限制在較低水平以減少實(shí)際應(yīng)用過程中的發(fā)熱。在報(bào)道的高性能壓電體系中，鈮鋅鋯鈦酸鉛(PZT-PZN)和鈮鎳鋯鈦酸鉛(PZT-PNN)壓電陶瓷有望滿足上述的性能需求。PZT-PZN具有較高的居里溫度，使用鈮鐵礦前驅(qū)體法分步合成制備時(shí)可獲得極高的壓電系數(shù)(690pC/N)，但是使用適用于工業(yè)生產(chǎn)的傳統(tǒng)固相反應(yīng) 法制備時(shí)壓電系數(shù)較低(< 500pC/N)，大量文獻(xiàn)報(bào)道了 La3+摻雜后該體系獲得了高的壓電性能，但是引起居里溫度的急劇降低，lmol%鑭摻雜即可引起Tc降低20-30°C，阻礙了其在高溫下的應(yīng)用。相比之下，PZT-PNN使用傳統(tǒng)固相法即可獲得高壓電系數(shù)和低損耗，但是PNN因其自身較低的居里溫度(_120°C)使得該體系的T。相對(duì)較低。因而可供選擇的同時(shí)滿足高d33、高T。和低tan δ的壓電體系很少，限制了 PZT基壓電陶瓷在較高工作溫度下的大應(yīng)變應(yīng)用。在PZT-PZN和PZT-PNN三元系陶瓷的基礎(chǔ)上，四元系的ΡΖΤ-ΡΖΝ-ΡΝΝ已經(jīng)有少數(shù)研究者進(jìn)行了報(bào)道，但是局限于壓電系數(shù)、介電常數(shù)或者能量密度等部分性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的，為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種高壓電系數(shù)、高居里溫度、低損耗的大應(yīng)變壓電陶瓷，實(shí)現(xiàn)較大溫度范圍內(nèi)的微位移控制應(yīng)用。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用的解決方案如下:
[0007]一種鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其化學(xué)計(jì)量式為:0.7Pb (ZrxTih)03-yPb (Znl73Nb273) O3- (0.3_y) Pb (Ni1/3Nb2/3) 03，其中，0.44 ^ x ^ 0.47，0.07 ^ y ^ 0.13，其中，x、y均表示摩爾比；
[0008]該鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，具有以下步驟:
[0009](I)根據(jù)鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的化學(xué)計(jì)量式，稱取Pb304、ZrO2, TiO2, Nb2O5,ZnO和Ni2O3為原料,與去離子水混合后濕磨4h后烘干,過篩；
[0010](2)將步驟(I)制得的粉體密封于氧化鋁坩堝中，于900°C煅燒3h，所得粉體研細(xì)后二次球磨4h，再干燥、過篩后添加聚乙烯醇造粒，于400MPa壓力下干壓成型；
[0011](3)將步驟(2)所得坯體于700°C排膠，再于1120-1220°c燒結(jié)，保溫2h，制得鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷；
[0012](4)將步驟(3)制得的制品打磨光滑后被銀電極，于750°C燒滲電極，再于直流電場3kV/mm極化20min,沉化24h后測試性能。
[0013]所述步驟(2)干壓成型的還體為直徑12mm,厚度Imm的圓形片狀結(jié)構(gòu)。
[0014]所述步驟(2) 二次球磨的磨機(jī)轉(zhuǎn)速為750r/min。
[0015]所述步驟(3)的燒結(jié)形式是在用ZrO2密封的氧化鋁坩堝中采用鋯鈦酸鉛陶瓷粉體進(jìn)行埋燒。
[0016]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0017](I)所制備的壓電陶瓷具有高壓電系數(shù)和低損耗；
[0018](2)所制備的壓電陶瓷 具有高應(yīng)變能力，在較低電場下即可獲得高應(yīng)變量，同時(shí)具有較高的矯頑場，確保在實(shí)際應(yīng)用中可以承受高的反向驅(qū)動(dòng)電場；
[0019](3)在1120_1180°C燒結(jié)的陶瓷試樣具有較小的晶粒尺寸，具有較好的抗老化性倉泛;
[0020](4)制備的壓電陶瓷具有高居里溫度；
[0021](5)退極化處理后仍保持高的壓電系數(shù)，適用于較高的工作溫度，從而實(shí)現(xiàn)了較大溫度范圍的大應(yīng)變應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為實(shí)施例2-2、3-3的XRD衍射圖譜；
[0023]圖2為實(shí)施例3-3的制品在0.8kV/mm和2.0kV/mm外加電場下的場致應(yīng)變曲線圖；
[0024]圖3為實(shí)施例3-3的制品熱處理后的壓電性能。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0026]本發(fā)明的鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其化學(xué)計(jì)量式0.7Pb (ZrxTih)
03-yPb (Znl73Nb273) O3- (0.3_y) Pb (Ni1/3Nb2/3) 03，其中，0.44 ^ x ^ 0.47，0.07 ^ y ^ 0.13，x、y均表示摩爾比。本發(fā)明采用的制備方法如下:
[0027]先將原料Pb304、ZrO2、TiO2、Nb2O5、ZnO和Ni2O3按化學(xué)計(jì)量比稱量，與去離子水混合后濕磨4h后烘干、過篩，再將所得粉體密封于氧化鋁坩堝中在900°C煅燒3h，二次球磨4h，磨機(jī)轉(zhuǎn)速為750r/min，干燥、過篩后添加聚乙烯醇造粒，于400MPa壓力下干壓成型，坯體直徑為12mm，厚度為1mm。再將所得坯體于700°C排膠，于1120_1220°C燒結(jié)，保溫2h。再將制品打磨光滑后被上銀電極，于750°C燒滲電極,于直流電場3kV/mm極化20min,陳化24h后測試性能。
[0028]具體實(shí)施例如下:
[0029]χ=0.44，y=0.07，燒結(jié)溫度為 1120°C，1180°C，1220°C，分別記為實(shí)施例 1-1、1-2、
1-3；
[0030]χ=0.45，y=0.10，燒結(jié)溫度為 1120°C，1180°C，1220°C，分別記為實(shí)施例 2_1、2_2、
2-3；
[0031]x=0.46, y=0.10，燒結(jié)溫度為 1120°C，1150°C，1180°C，1200°C，1220°C，分別記為實(shí)施例 3-1、3-2、3-3、3-4、3-5 ；
[0032]χ=0.47，y=0.13，燒結(jié)溫度為 1120°C，1180°C，1220°C，分別記為實(shí)施例 4_1、4_2、
4_3 ο
[0033]上述實(shí)施例的壓電介電性能詳見表1:
[0034]表1
【權(quán)利要求】
1.一種鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其化學(xué)計(jì)量式為0.TPb(ZrxTi1^x)03-yPb (Znl73Nb273) O3- (0.3_y) Pb (Ni1/3Nb2/3) 03，其中，0.44 ≤ x ≤ 0.47，0.07 ≤ y ≤ 0.13，其中，x、y均表示摩爾比； 該鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，具有以下步驟: (1)根據(jù)鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的化學(xué)計(jì)量式，稱取Pb304、ZrO2,TiO2, Nb2O5, ZnO和Ni2O3為原料,與去離子水混合后濕磨4h后烘干,過篩； (2)將步驟(1)制得的粉體密封于氧化鋁坩堝中，于900°C煅燒3h，所得粉體研細(xì)后二次球磨4h，再干燥、過篩后添加聚乙烯醇造粒，于400MPa壓力下干壓成型； (3)將步驟(2)所得坯體于700°C排膠，再于1120-1220°C燒結(jié)，保溫2h，制得鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷； (4)將步驟(3)制得的制品打磨光滑后被銀電極，于750°C燒滲電極，再于直流電場3kV/mm極化20min,沉化24h后測試性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在于，所述步驟(2)干壓成型的還體為直徑12mm,厚度Imm的圓形片狀結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在于，所述步驟(2)二次球磨的磨機(jī)轉(zhuǎn)速為750r/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的一種鈮鋅鈮鎳鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在于，所述步驟(3)的燒結(jié)形式是在用ZrO2密封的氧化鋁坩堝中采用鋯鈦酸鉛陶瓷粉體進(jìn)行埋燒。
【文檔編號(hào)】C04B35/491GK103467089SQ201310406344
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】孫清池, 劉群, 馬衛(wèi)兵, 張琦, 徐青 申請人:天津大學(xué)