本發(fā)明領屬于壓電陶瓷材料領域，具體涉及一種氧化鐿摻雜的低溫燒結的PZT基壓電陶瓷。

背景技術：

PZT是傳統(tǒng)的壓電陶瓷，具有良好的介電、鐵電、壓電、熱釋電等效應，其原料價格低廉，適于工廠化生產，對其摻雜改性可以得到適用于多種用途的陶瓷材料。多層壓電陶瓷有交替陶瓷層和內部金屬電極層。隨著科學技術的高速發(fā)展，多層壓電陶瓷得到了越來越廣泛的研究，廣泛應用于制動器、轉換器、傳感器。一般將Ag-Pd電極用于多層陶瓷的內電極，其共燒溫度范圍為920～980 °C，而純Ag的內電極則要求不高于900 °C的燒結溫度。傳統(tǒng)含鉛壓電陶瓷在約1200 °C高溫下燒結，因此純Ag（熔點≈961 °C）內部電極不能在這么高的溫度下使用，而Ag-Pd電極層也會擴散到陶瓷層，導致陶瓷電學性能的惡化，從而影響多層器件的可靠性。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于針對現有技術的不足，本發(fā)明的第一個目的是提供一種氧化鐿摻雜的PZT基壓電陶瓷，該壓電陶瓷燒結溫度低，并且兼具良好的壓電性能；本發(fā)明的第二個目的是提供上述氧化鐿摻雜的PZT基壓電陶瓷的制備方法，以降低PZT基壓電陶瓷的燒結溫度，同時提高壓電性能。

針對本發(fā)明的第一個發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種氧化鐿摻雜的PZT基壓電陶瓷，該壓電陶瓷的化學通式為xPb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃– yPb(Mg_1/2W_1/2)O₃– (1–x–y)Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃+ uwt% Ba(W_1/2Cu_1/2)+ v mol% Yb₂O₃表示，0.1≤x≤0.8，0.02≤y≤0.15, 0.01≤ u ≤0.5, 0≤v≤0.4。

針對本發(fā)明的第二個發(fā)明目的，通過在PZT基壓電陶瓷中摻入氧化鐿，使得在摻雜元素的作用下，Yb³⁺進入A或B位，在850～950 °C的燒結溫度下，制備得到兼具良好壓電性能的PZT基壓電陶瓷，具體工藝步驟如下：

(1) PZT基陶瓷粉體的制備

按照通式xPb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃–yPb(Mg_1/2W_1/2)O₃–(1–x–y)Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃+u wt% Ba(W_1/2Cu_1/2)+v mol% Yb₂O₃表示，0.1≤x≤0.8，0.02≤y≤0.15, 0.01≤ u ≤0.5, 0≤v≤0.4，計算稱量各原料，將各原料通過球磨破碎并混合均勻后，在750 ~850 °C下保溫2~4 h，保溫結束后冷卻至室溫并再次球磨破碎，得到PZT基陶瓷粉體；

(2) 造粒壓片

向步驟（1）所得PZT基陶瓷粉體中加入5~10 wt%的聚乙烯醇溶液進行造粒，然后將所得粒料壓制成片，得到PZT基陶瓷片；

(3) 排膠燒結

將步驟（2）所得PZT基陶瓷片排膠后在850~950 °C下保溫燒結2~4 h，得到燒結PZT基壓電陶瓷片；

(4)極化

將步驟（3）所得得到燒結PZT基壓電陶瓷圓片表面涂覆5~15 wt%的銀漿后，在650~750 °C下保溫燒結10~20 min，保溫結束后冷卻至室溫，然后在硅油中進行極化，得到氧化鐿摻雜的PZT壓電陶瓷。

上述方法中，步驟（1）中兩次球磨的具體工藝優(yōu)選為：以無水乙醇為分散介質，按照各原料總量與無水乙醇的質量比為1:1.5將各原料和無水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨機上以100~450 rmp的轉速球磨10~24 h，球磨后進行干燥。所述干燥可以是在烤燈下烘烤2~3小時。

上述方法中， 將所得粒料壓制成片的具體工藝優(yōu)選為：在10~20 MPa的壓力下壓制成直徑約為10~15 mm，厚度約為0.8~1.2 mm的氧化鐿摻雜的PZT基壓電陶瓷片。

上述方法中，步驟（2）中所述聚乙烯醇溶液的濃度為最好為5~10 wt%。

上述方法中，步驟(3)中排膠的具體工藝優(yōu)選為：將步驟（2）所得PZT基陶瓷片在450~550 °C下保溫4~10 h。

上述方法中，步驟（4）中在硅油中進行極化的具體工藝為：在60~120 °C的硅油中，極化場強為2~5 kV/mm條件下保持電場強度15~30 min。

與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明提供的氧化鐿摻雜PZT基壓電陶瓷，燒結溫度低，為850～950°C并具有良好的壓電性能，d₃₃高達608 pC/N，在室溫下利用安捷倫4294A精密阻抗儀在1 kHz的頻率下測得介電損耗不大于千分之三，且居里溫度大于170℃，如圖4所示。

2、本發(fā)明提供的氧化鐿摻雜PZT基壓電陶瓷，其物相為純鈣鈦礦相，如圖1所示，摻氧化鐿摻雜提高了燒結活性使晶粒致密均勻且生長充分，致密。

附圖說明

圖1是實施例1～6制備得到的壓電陶瓷材料的X射線衍射（XRD）圖譜。

圖2是實施例1～6制備得到的壓電陶瓷材料的壓電性能圖。

圖3是實施例1～6制備得到的壓電陶瓷材料的介電常數隨溫度的變化。

圖4是實施例2制備得到的壓電陶瓷材料的電聲器件示意圖。

具體實施方式

下面通過具體實施方式對本發(fā)明所述氧化鐿摻雜的PZT基壓電陶瓷作進一步說明。

實施例1

(1) PZT基陶瓷粉體的制備

按照通 0.4Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-0.02Pb(Mg_1/2W_1/2)O₃–0.58Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃+0.05wt% Ba(W_1/2Cu_1/2)+0 mol% Yb₂O₃表示，（x=0.4, y=0.02, u=0.05, v=0）計算稱量各原料，以無水乙醇為分散介質，按照各原料總量與無水乙醇的質量比為1:1.5將各原料和無水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨機上以100 rmp的轉速球磨24 h，球磨后烤燈下烘烤2小時進行干燥得到混合粉料，將所得混合粉料在800 °C下保溫3h，保溫結束后冷卻至室溫并再次按照相同方法進行第二次球磨，球磨后烤燈下烘烤3小時進行干燥，得到PZT基陶瓷粉體；

(2) 造粒壓片

向步驟（1）所得PZT基陶瓷粉體中加入濃度為10 wt%的聚乙烯醇溶液進行造粒，然后在10 MPa的壓力下壓制成直徑約為10mm，厚度約為1.2 mm的PZT基壓電陶瓷圓片；

(3) 排膠燒結

將步驟（2）所得PZT基陶瓷片在550 °C下保溫4 h進行排膠后，在850 °C下保溫燒結4 h，得到燒結PZT基壓電陶瓷片；

(4) 極化

將步驟（3）所得燒結PZT基壓電陶瓷圓片表面涂覆10 wt%的銀漿后，在650 °C下保溫燒結20 min，保溫結束后冷卻至室溫，然后在在60 °C的硅油中，極化場強為5 kV/mm條件下保持電場強度15 min進行極化，得到氧化鐿摻雜的PZT壓電陶瓷。

制得的氧化鐿摻雜的PZT壓電陶瓷的XRD圖譜見圖1，圖1表明PZT壓電陶瓷為純鈣鈦礦相；采用中科院聲學所的ZJ-3型準靜態(tài)d₃₃儀，測得的壓電系數的d₃₃見圖3，為322 pC/N；利用安捷倫4980A精密阻抗儀連接溫控爐測得介電常數隨溫度的變化，可從圖4得到樣品的居里溫度為171 °C。

實施例2

(1) PZT基陶瓷粉體的制備

按照通式0.42Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-0.04Pb(Mg_1/2W_1/2)O₃–0.54Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃+0.05wt% Ba(W_1/2Cu_1/2)+0.05 mol% Yb₂O₃表示，（x=0.42, y=0.04, u=0.05, v=0.05）計算稱量各原料，以無水乙醇為分散介質，按照各原料總量與無水乙醇的質量比為1:1.5將各原料和無水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨機上以450 rmp的轉速球磨10 h，球磨后烤燈下烘烤3小時進行干燥得到混合粉料，將所得混合粉料在750 °C下保溫4 h，保溫結束后冷卻至室溫并再次按照相同方法進行第二次球磨，球磨后烤燈下烘烤3小時進行干燥，得到PZT基陶瓷粉體；

(2) 造粒壓片

向步驟（1）所得PZT基陶瓷粉體中加入濃度為8 wt%的聚乙烯醇溶液進行造粒，然后在20 MPa的壓力下壓制成直徑約為14 mm，厚度約為0.9 mm的PZT基壓電陶瓷圓片；

(3) 排膠燒結

將步驟（2）所得PZT基陶瓷片在550 °C下保溫4 h進行排膠后，在900 °C下保溫燒結3 h，得到燒結PZT基壓電陶瓷片；

(4) 極化

將步驟（3）所得燒結PZT基壓電陶瓷圓片表面涂覆12 wt%的銀漿后，在700 °C下保溫燒結10 min，保溫結束后冷卻至室溫，然后在在60 °C的硅油中，極化場強為2 kV/mm條件下保持電場強度30 min進行極化，得到氧化鐿摻雜的PZT壓電陶瓷。

制得的氧化鐿摻雜的PZT壓電陶瓷的XRD圖譜見圖1，圖1表明PZT壓電陶瓷為純鈣鈦礦相；采用中科院聲學所的ZJ-3型準靜態(tài)d₃₃儀，測得的壓電系數的d₃₃見圖3，為513 pC/N；利用安捷倫4980A精密阻抗儀連接溫控爐測得介電常數隨溫度的變化，可從圖4得到樣品的居里溫度為178 °C。

實施例3

(1) PZT基陶瓷粉體的制備

按照通式0.44Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-0.04Pb(Mg_1/2W_1/2)O₃–0.52Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃+0.05wt% Ba(W_1/2Cu_1/2)+0.1 mol% Yb₂O₃表示，（x=0.44, y=0.04, u=0.05, v=0.1）計算稱量各原料，以無水乙醇為分散介質，按照各原料總量與無水乙醇的質量比為1:1.5將各原料和無水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨機上以300 rmp的轉速球磨18 h，球磨后烤燈下烘烤3小時進行干燥得到混合粉料，將所得混合粉料在850 °C下保溫2 h，保溫結束后冷卻至室溫并再次按照相同方法進行第二次球磨，球磨后烤燈下烘烤2小時進行干燥，得到PZT基陶瓷粉體；

(2) 造粒壓片

向步驟（1）所得PZT基陶瓷粉體中加入濃度為10 wt%的聚乙烯醇溶液進行造粒，然后在15 MPa的壓力下壓制成直徑約為13 mm，厚度約為1mm的PZT基壓電陶瓷圓片；

(3) 排膠燒結

將步驟（2）所得PZT基陶瓷片在450 °C下保溫10 h進行排膠后，在950 °C下保溫燒結2h，得到燒結PZT基壓電陶瓷片；

(4) 極化

將步驟（3）所得燒結PZT基壓電陶瓷圓片表面涂覆5wt%的銀漿后，在750 °C下保溫燒結10 min，保溫結束后冷卻至室溫，然后在在60 °C的硅油中，極化場強為4 kV/mm條件下保持電場強度16min進行極化，得到氧化鐿摻雜的PZT壓電陶瓷。

制得的氧化鐿摻雜的PZT壓電陶瓷的XRD圖譜見圖1，圖1表明PZT壓電陶瓷為純鈣鈦礦相；采用中科院聲學所的ZJ-3型準靜態(tài)d₃₃儀，測得的壓電系數的d₃₃見圖3，為608 pC/N；利用安捷倫4980A精密阻抗儀連接溫控爐測得介電常數隨溫度的變化，可從圖4得到樣品的居里溫度為173 °C。其SEM圖見圖2，顯示其晶粒尺寸均勻，晶粒間較為致密。

實施例4

(1) PZT基陶瓷粉體的制備

按照通式0.46Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-0.06Pb(Mg_1/2W_1/2)O₃–0.48Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃+0.05wt% Ba(W_1/2Cu_1/2)+0.15 mol% Yb₂O₃表示，（x=0.46, y=0.06, u=0.05, v=0.15）計算稱量各原料，以無水乙醇為分散介質，按照各原料總量與無水乙醇的質量比為1:1.5將各原料和無水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨機上以200 rmp的轉速球磨20 h，球磨后烤燈下烘烤3小時進行干燥得到混合粉料，將所得混合粉料在800 °C下保溫3h，保溫結束后冷卻至室溫并再次按照相同方法進行第二次球磨，球磨后烤燈下烘烤3小時進行干燥，得到PZT基陶瓷粉體；

(2) 造粒壓片

向步驟（1）所得PZT基陶瓷粉體中加入濃度為10 wt%的聚乙烯醇溶液進行造粒，然后在20 MPa的壓力下壓制成直徑約為15 mm，厚度約為0.8mm的PZT基壓電陶瓷圓片；

(3) 排膠燒結

將步驟（2）所得PZT基陶瓷片在500 °C下保溫8 h進行排膠后，在900 °C下保溫燒結4 h，得到燒結PZT基壓電陶瓷片；

(4) 極化

將步驟（3）所得燒結PZT基壓電陶瓷圓片表面涂覆15 wt%的銀漿后，在650 °C下保溫燒結15 min，保溫結束后冷卻至室溫，然后在在60 °C的硅油中，極化場強為5 kV/mm條件下保持電場強度25 min進行極化，得到氧化鐿摻雜的PZT壓電陶瓷。

制得的氧化鐿摻雜的PZT壓電陶瓷的XRD圖譜見圖1，圖1表明PZT壓電陶瓷為純鈣鈦礦相；采用中科院聲學所的ZJ-3型準靜態(tài)d₃₃儀，測得的壓電系數的d₃₃見圖3，為555 pC/N；利用安捷倫4980A精密阻抗儀連接溫控爐測得介電常數隨溫度的變化，可從圖4得到樣品的居里溫度為177 °C。

實施例5

(1) PZT基陶瓷粉體的制備

按照通式0.48Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-0.08Pb(Mg_1/2W_1/2)O₃–0.44Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃+0.05 wt% Ba(W_1/2Cu_1/2)+0.2 mol% Yb₂O₃表示，（x=0.48, y=0.08, u=0.05, v=0.2）計算稱量各原料，以無水乙醇為分散介質，按照各原料總量與無水乙醇的質量比為1:1.5將各原料和無水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨機上以400 rmp的轉速球磨11 h，球磨后烤燈下烘烤2小時進行干燥得到混合粉料，將所得混合粉料在750°C下保溫4 h，保溫結束后冷卻至室溫并再次按照相同方法進行第二次球磨，球磨后烤燈下烘烤3小時進行干燥，得到PZT基陶瓷粉體；

(2) 造粒壓片

向步驟（1）所得PZT基陶瓷粉體中加入濃度為6 wt%的聚乙烯醇溶液進行造粒，然后在18 MPa的壓力下壓制成直徑約為10 mm，厚度約為1.2 mm的PZT基壓電陶瓷圓片；

(3) 排膠燒結

將步驟（2）所得PZT基陶瓷片在500 °C下保溫7h進行排膠后，在900 °C下保溫燒結4 h，得到燒結PZT基壓電陶瓷片；

(4) 極化

將步驟（3）所得燒結PZT基壓電陶瓷圓片表面涂覆10 wt%的銀漿后，在750 °C下保溫燒結12min，保溫結束后冷卻至室溫，然后在在60 °C的硅油中，極化場強為3kV/mm條件下保持電場強度30 min進行極化，得到氧化鐿摻雜的PZT壓電陶瓷。

制得的氧化鐿摻雜的PZT壓電陶瓷的XRD圖譜見圖1，圖1表明PZT壓電陶瓷為純鈣鈦礦相；采用中科院聲學所的ZJ-3型準靜態(tài)d₃₃儀，測得的壓電系數的d₃₃見圖3，為557pC/N；利用安捷倫4980A精密阻抗儀連接溫控爐測得介電常數隨溫度的變化，可從圖4得到樣品的居里溫度為175 °C。

實施例6

(1) PZT基陶瓷粉體的制備

按照通式0.50Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-0.10Pb(Mg_1/2W_1/2)O₃–0.40Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃+0.05wt% Ba(W_1/2Cu_1/2)+0.3 mol% Yb₂O₃表示，（x=0.5, y=0.1, u=0.05, v=0.3）計算稱量各原料，以無水乙醇為分散介質，按照各原料總量與無水乙醇的質量比為1:1.5將各原料和無水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨機上以100 rmp的轉速球磨24 h，球磨后烤燈下烘烤2小時進行干燥得到混合粉料，將所得混合粉料在800 °C下保溫3h，保溫結束后冷卻至室溫并再次按照相同方法進行第二次球磨，球磨后烤燈下烘烤3小時進行干燥，得到PZT基陶瓷粉體；

(2) 造粒壓片

向步驟（1）所得PZT基陶瓷粉體中加入濃度為10 wt%的聚乙烯醇溶液進行造粒，然后在10 MPa的壓力下壓制成直徑約為10mm，厚度約為1.2 mm的PZT基壓電陶瓷圓片；

(3) 排膠燒結

將步驟（2）所得PZT基陶瓷片在550 °C下保溫4 h進行排膠后，在850 °C下保溫燒結4 h，得到燒結PZT基壓電陶瓷片；

(4) 極化

將步驟（3）所得燒結PZT基壓電陶瓷圓片表面涂覆10 wt%的銀漿后，在650 °C下保溫燒結20 min，保溫結束后冷卻至室溫，然后在在60 °C的硅油中，極化場強為5 kV/mm條件下保持電場強度15 min進行極化，得到氧化鐿摻雜的PZT壓電陶瓷。

制得的氧化鐿摻雜的PZT壓電陶瓷的XRD圖譜見圖1，圖1表明PZT壓電陶瓷為純鈣鈦礦相；采用中科院聲學所的ZJ-3型準靜態(tài)d₃₃儀，測得的壓電系數的d₃₃見圖3，為509 pC/N；利用安捷倫4980A精密阻抗儀連接溫控爐測得介電常數隨溫度的變化，可從圖4得到樣品的居里溫度為179 °C。

實施例7

(1) PZT基陶瓷粉體的制備

按照通式0.52Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-0.10Pb(Mg_1/2W_1/2)O₃–0.38Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃+0.05wt% Ba(W_1/2Cu_1/2)+0.1 mol% Yb₂O₃表示，（x=0.52, y=0.10, u=0.05, v=0.1）計算稱量各原料，以無水乙醇為分散介質，按照各原料總量與無水乙醇的質量比為1:1.5將各原料和無水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨機上以100 rmp的轉速球磨24 h，球磨后烤燈下烘烤2小時進行干燥得到混合粉料，將所得混合粉料在800 °C下保溫3h，保溫結束后冷卻至室溫并再次按照相同方法進行第二次球磨，球磨后烤燈下烘烤3小時進行干燥，得到PZT基陶瓷粉體；

(2) 造粒壓片

向步驟（1）所得PZT基陶瓷粉體中加入濃度為10 wt%的聚乙烯醇溶液進行造粒，然后在10 MPa的壓力下壓制成直徑約為10mm，厚度約為1.2 mm的PZT基壓電陶瓷圓片；

(3) 排膠燒結

將步驟（2）所得PZT基陶瓷片在550 °C下保溫4 h進行排膠后，在850 °C下保溫燒結4 h，得到燒結PZT基壓電陶瓷片；

(4) 極化

將步驟（3）所得燒結PZT基壓電陶瓷圓片表面涂覆10 wt%的銀漿后，在650 °C下保溫燒結20 min，保溫結束后冷卻至室溫，然后在在60 °C的硅油中，極化場強為5 kV/mm條件下保持電場強度15 min進行極化，得到氧化鐿摻雜的PZT壓電陶瓷。

實施例8

(1) PZT基陶瓷粉體的制備

按照通式0.50Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-0.08Pb(Mg_1/2W_1/2)O₃–0.42Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃+0.05wt% Ba(W_1/2Cu_1/2)+0.3 mol% Yb₂O₃表示，（x=0.5, y=0.08, u=0.05, v=0.1）計算稱量各原料，以無水乙醇為分散介質，按照各原料總量與無水乙醇的質量比為1:1.5將各原料和無水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨機上以100 rmp的轉速球磨24 h，球磨后烤燈下烘烤2小時進行干燥得到混合粉料，將所得混合粉料在800 °C下保溫3h，保溫結束后冷卻至室溫并再次按照相同方法進行第二次球磨，球磨后烤燈下烘烤3小時進行干燥，得到PZT基陶瓷粉體；

(2) 造粒壓片

向步驟（1）所得PZT基陶瓷粉體中加入濃度為10 wt%的聚乙烯醇溶液進行造粒，然后在10 MPa的壓力下壓制成直徑約為10mm，厚度約為1.2 mm的PZT基壓電陶瓷圓片；

(3) 排膠燒結

將步驟（2）所得PZT基陶瓷片在550 °C下保溫4 h進行排膠后，在850 °C下保溫燒結4 h，得到燒結PZT基壓電陶瓷片；

(4) 極化

將步驟（3）所得燒結PZT基壓電陶瓷圓片表面涂覆10 wt%的銀漿后，在650 °C下保溫燒結20 min，保溫結束后冷卻至室溫，然后在在60 °C的硅油中，極化場強為5 kV/mm條件下保持電場強度15 min進行極化，得到氧化鐿摻雜的PZT壓電陶瓷

應用例1

將實施例2制備得到的氧化鐿摻雜的PZT基壓電陶瓷材料制備成厚度0.2毫米，直徑12毫米的圓片，加上電極、引線、膜片、外殼等做成電聲器件，如圖4所示。