本申請涉及陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

摻鑭的鋯鈦酸鉛(鋯鈦酸鑭鉛，plzt)鐵電陶瓷的基本組成是鋯鈦酸鉛(pzt)摻雜了la2o3改性形成的(pb，la)(zr，ti)o3四元系固溶體。自從1970年問世以來，就引起了人們的廣泛重視。它既具有鐵電性、壓電性和介電性，又具有透明性，且其電光系數(shù)大，響應(yīng)速度快，已被廣泛應(yīng)用于制作傳感器、執(zhí)行器、濾波器和換能器等器件。

目前制備plzt陶瓷的主要方法由傳統(tǒng)固相反應(yīng)燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、氣氛燒結(jié)以及熱等靜壓燒結(jié)等。但是plzt陶瓷的脆性較大，限制了它在大功率、高應(yīng)變或高頻率下的應(yīng)用。例如，由于plzt陶瓷常常被應(yīng)用于高電場環(huán)境，因此陶瓷材料的抗電擊穿強(qiáng)度對于其在高電場下的穩(wěn)定性和工作壽命起著決定作用。

因此，如何提高plzt陶瓷力學(xué)性能和抗電擊穿強(qiáng)度，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請?zhí)峁┮环Nplzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料及其制備方法，以解決現(xiàn)有的plzt陶瓷材料力學(xué)性能差和抗電擊穿強(qiáng)度低的技術(shù)問題。

第一方面，本申請?zhí)峁┮环Nplzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料，包括：鋯鈦酸鉛鑭基體，以及滲透入所述鋯鈦酸鉛鑭基體的氧化鋁。

進(jìn)一步地，所述氧化鋁的摩爾百分比為0-5％。

進(jìn)一步地，所述鋯鈦酸鉛鑭基體以下式表示：

pb1-3y/2lay(zrxti1-x)o3

其中，0≤x≤1，0≤y≤0.1。

第二方面，本申請?zhí)峁┮环Nplzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料的制備方法，包括：

步驟一、以pb3o4粉體、zro2粉體、tio2粉體、la2o3粉體和nb2o5粉體為原料，按照式pb1-3y/2lay(zrxti1-x)o3示出的化學(xué)計量比配料，得到混合料；其中，0≤x≤1，0≤y≤0.1；

步驟二、以水或無水乙醇為介質(zhì)，以氧化鋯球?yàn)槟ソ?，對所述混合料球?h-12h，出料，烘干，得到粉料；

步驟三、將所述粉料置于750℃-900℃的環(huán)境中，預(yù)燒結(jié)2h-4h，得到pb1-3y/2lay(zrxti1-x)o3粉體；

步驟四、破碎所述pb1-3y/2lay(zrxti1-x)o3粉體后，以水或無水乙醇為介質(zhì)，以氧化鋯球?yàn)槟ソ?，球?4h-36h，出料，烘干，得到細(xì)磨粉體；

步驟五、向所述細(xì)磨粉體中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％-10％的聚乙烯醇，造粒，成型，得到素坯；

步驟六、對所述素坯進(jìn)行排膠處理；

步驟七、將排膠處理后的素坯置于1250℃-1350℃的環(huán)境中，燒結(jié)1h-3h，得到pb1-3y/2lay(zrxti1-x)o3基體；

步驟八、在所述pb1-3y/2lay(zrxti1-x)o3基體表面涂覆al2o3微粉或?qū)⑺鰌b1-3y/2lay(zrxti1-x)o3基體埋入al2o3微粉中，在600℃-1100℃環(huán)境下，熱處理1h-12h。

進(jìn)一步地，所述al2o3微粉的粒徑范圍為0.01μm-10μm。

進(jìn)一步地，所述對素坯進(jìn)行排膠處理的步驟包括：將所述素坯所在的環(huán)境溫度升至650℃-850℃后，保溫2h，升溫速率低于10℃/min。

進(jìn)一步地，所述步驟四得到的細(xì)磨粉體的粒徑范圍為0.1μm-1μm。

由以上技術(shù)方案可知，本申請實(shí)施例提供一種plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料及其制備方法，該plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料包括鋯鈦酸鉛鑭基體，以及滲透入所述鋯鈦酸鉛鑭基體的氧化鋁。通過固相擴(kuò)散滲透的方式，向制備得到的plzt基體中引入納米級的al2o3增強(qiáng)相，從而制備出plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷。plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷可以在保持材料原有的介電、壓電、鐵電等性能的基礎(chǔ)上，大幅度提高現(xiàn)有plzt陶瓷材料的力學(xué)性能和抗電擊穿強(qiáng)度。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本申請根據(jù)一實(shí)施例性實(shí)施例示出的一種plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料的制備方法流程圖；

圖2為本申請的示例性實(shí)施例所用的al2o3微粉的粒度分布圖；

圖3為本申請的示例性實(shí)施例得到的plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料樣品表面的al2o3含量隨熱處理條件的變化曲線圖；

圖4為本申請的示例性實(shí)施例得到的plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料樣品的斷裂韌性隨熱處理條件的變化曲線圖；

圖5為本申請的示例性實(shí)施例得到的plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料樣品的維氏硬度隨熱處理條件的變化曲線圖；

圖6為本申請的示例性實(shí)施例得到的plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料樣品的電擊穿強(qiáng)度隨熱處理條件的變化曲線圖。

具體實(shí)施方式

本申請的一些實(shí)施例提供一種plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料，包括：鋯鈦酸鉛鑭基體，以及滲透入所述鋯鈦酸鉛鑭基體的氧化鋁。

進(jìn)一步地，上述實(shí)施例提供的plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料中氧化鋁的摩爾百分比為0-5％，相應(yīng)地，鋯鈦酸鉛鑭基體的摩爾百分比為95-100％。

本申請實(shí)施例提供的plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料，不同的氧化鋁含量，使得plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料具有不同的性能。本領(lǐng)域技術(shù)人員能實(shí)現(xiàn)的通過任何等同于調(diào)節(jié)氧化鋁含量的方式來改變plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料性能的技術(shù)方案，均屬于本申請的保護(hù)范圍。

進(jìn)一步地，所述鋯鈦酸鉛鑭基體以下式表示：

pb1-3y/2lay(zrxti1-x)o3

其中，0≤x≤1，0≤y≤0.1。

或者說，本申請實(shí)施例提供的plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料的組成可以表示為，mpb1-3y/2lay(zrxti1-x)o3+nal2o3；其中，0.95<m<1，0<n<0.05，0≤x≤1，0≤y≤0.1。

由以上技術(shù)方案可知，本申請實(shí)施例提供一種plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料，該plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料包括鋯鈦酸鉛鑭基體，以及滲透入所述鋯鈦酸鉛鑭基體的氧化鋁。該plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷可以在保持材料原有的介電、壓電、鐵電等性能的基礎(chǔ)上，大幅度提高現(xiàn)有plzt陶瓷材料的力學(xué)性能和抗電擊穿強(qiáng)度。同時，其絕緣電阻也明顯增加；而且其機(jī)械性能、絕緣電阻以及抗電擊穿強(qiáng)度的提高，可以通過調(diào)整滲入的al2o3的含量，而在較大范圍內(nèi)調(diào)整。這種plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料特別適合在高電壓、或者大應(yīng)變、或者高絕緣電阻的環(huán)境下使用。

本申請的另一些實(shí)施例提供一種plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料的制備方法，包括：

步驟s01、以pb3o4粉體、zro2粉體、tio2粉體、la2o3粉體和nb2o5粉體為原料，按照式pb1-3y/2lay(zrxti1-x)o3示出的化學(xué)計量比配料，得到混合料；其中，0≤x≤1，0≤y≤0.1；

本申請實(shí)施例使用的各主要原料的純度以實(shí)際生產(chǎn)為準(zhǔn)，詳見下表1。

表1

根據(jù)設(shè)計好的樣品組分，按照化學(xué)計量比稱量所需的pb3o4粉體、zro2粉體、tio2粉體、la2o3粉體和nb2o5粉體，進(jìn)行配料，得到混合料。

步驟s02、以水或無水乙醇為介質(zhì)，以氧化鋯球?yàn)槟ソ?，對所述混合料球?h-12h，出料，烘干，得到粉料；

具體實(shí)現(xiàn)中，將配好的混合料置于聚乙烯罐中，在星式球磨機(jī)上混合球磨6h-12h。所用的球磨介質(zhì)為去離子水或者無水乙醇，所用的磨球(磨介)為氧化鋯球。其中，氧化鋯球的粒徑有三種，分別為φ16mm-12mm，φ8mm-6mm，φ4mm-2mm，級配規(guī)則為φ(16mm-12mm)：(φ8mm-6mm)：(φ4mm-2mm)＝2kg：1kg：1kg。球磨結(jié)束后，將得到的濕料置于100℃的烘干箱中進(jìn)行烘干，然后將干料和氧化鋯球一起倒入50目的篩子中，進(jìn)行球料分離，得到粉料。

步驟s03、將所述粉料置于750℃-900℃的環(huán)境中，預(yù)燒結(jié)2h-4h，得到pb1-3y/2lay(zrxti1-x)o3粉體；

燒結(jié)工藝是得到高性能陶瓷材料的最關(guān)鍵的步驟，這是因?yàn)樗鼜暮艽蟪潭壬蠜Q定了陶瓷的致密度和均勻性。在plzt基體的預(yù)燒結(jié)及燒結(jié)過程中，pbo是容易揮發(fā)的物質(zhì)，燒結(jié)時如何使陶瓷化學(xué)組成均勻、致密性好，關(guān)鍵因素就是控制陶瓷中鉛的含量。為此，本申請所述的預(yù)燒結(jié)及燒結(jié)過程，會通過一定的方法來抑制pbo的揮發(fā)。例如，在原料中添加過量的pbo；將試樣在pbo或pbzro3粉料的嵌埋中燒結(jié)；或是在爐膛中放入鉛錠等。

本申請實(shí)施例步驟s03在具體實(shí)現(xiàn)時，將粉料壓成大塊，然后，置于帶蓋的剛玉坩堝中，在750℃-900℃下，預(yù)燒結(jié)2h-4h。

步驟s04、破碎所述pb1-3y/2lay(zrxti1-x)o3粉體后，以水或無水乙醇為介質(zhì)，以氧化鋯球?yàn)槟ソ椋蚰?4h-36h，出料，烘干，得到細(xì)磨粉體；

需要說明的是，該細(xì)磨粉體的粒徑范圍為0.1μm-1μm。

該步驟s04的球磨過程的具體實(shí)現(xiàn)方式請參見上述步驟s02，此處不再贅述。

步驟s05、向所述細(xì)磨粉體中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％-10％的聚乙烯醇，造粒，成型，得到素坯；

優(yōu)選地，加入的聚乙烯醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6％。

本申請實(shí)施例以聚乙烯醇(pva)作為粘結(jié)劑，將所述細(xì)磨粉體造粒，將顆粒料裝入成形模具中，在壓力為100-200mpa的壓強(qiáng)下，保壓10-120s，將顆粒料壓成薄圓片狀，即素坯。其中，根據(jù)模具尺寸或裝入模具的顆粒料的質(zhì)量，來調(diào)整保壓時間。

步驟s06、對所述素坯進(jìn)行排膠處理；

具體地，將所述素坯升溫至650℃-850℃后，保溫2h，升溫速率低于10℃/min。排膠處理能夠去除素坯中的有機(jī)成分，例如殘留的粘結(jié)劑，有利于降低陶瓷的氣孔率，提高致密度。

步驟s07、將排膠處理后的素坯置于1250℃-1350℃的環(huán)境中，燒結(jié)1h-3h，得到pb1-3y/2lay(zrxti1-x)o3基體；

可選擇的，將排膠處理后的素坯置于帶蓋的剛玉坩堝中，再將坩堝置于預(yù)先設(shè)置好升溫程序的燒結(jié)爐中，待燒結(jié)爐的溫度升至1250℃-1350℃后，保溫1h-3h，得到pb1-3y/2lay(zrxti1-x)o3基體。

如前所述，為了防止pbo在燒結(jié)過程中的過度散失，燒結(jié)過程可以在添加氣氛粉造成的保護(hù)氣氛條件下進(jìn)行埋燒?？蛇x擇的，埋燒采用的氣氛粉是事先經(jīng)研磨混合均勻的等摩爾比的zro2和pbo的燒結(jié)熟粉，從而形成保護(hù)氣氛，抑制pbo散失。

步驟s08、在所述pb1-3y/2lay(zrxti1-x)o3基體表面涂覆al2o3微粉或?qū)⑺鰌b1-3y/2lay(zrxti1-x)o3基體埋入al2o3微粉中，在600℃-1100℃環(huán)境下，熱處理1h-12h。

具體實(shí)現(xiàn)中，將pb1-3y/2lay(zrxti1-x)o3基體樣品的表面細(xì)磨，超聲清洗，然后在pb1-3y/2lay(zrxti1-x)o3基體樣品表面涂覆al2o3微粉或?qū)⑺鰌b1-3y/2lay(zrxti1-x)o3基體埋入al2o3微粉中，在600℃-1100℃環(huán)境下，熱處理1h-12h。

優(yōu)選地，al2o3微粉的粒徑范圍為0.01μm-10μm。

由以上技術(shù)方案可知，本申請實(shí)施例提供一種plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料及其制備方法，該plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料包括鋯鈦酸鉛鑭基體，以及滲透入所述鋯鈦酸鉛鑭基體的氧化鋁。通過固相擴(kuò)散滲透的方式，向制備得到的plzt基體中引入納米級的al2o3增強(qiáng)相，從而制備出plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷。plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷可以在保持材料原有的介電、壓電、鐵電等性能的基礎(chǔ)上，大幅度提高現(xiàn)有plzt陶瓷材料的力學(xué)性能和抗電擊穿強(qiáng)度。同時，其絕緣電阻也明顯增加；而且其機(jī)械性能、絕緣電阻以及抗電擊穿強(qiáng)度的提高，可以通過調(diào)整滲入的al2o3的含量，而在較大范圍內(nèi)調(diào)整。這種plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料特別適合在高電壓、或者大應(yīng)變、或者高絕緣電阻的環(huán)境下使用。

本申請實(shí)施例提供的一種plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料的制備方法的具體實(shí)施方式，還可參見下述兩個實(shí)施例。

實(shí)施例1

以粉末狀的pb3o4，zro2，tio2，la2o3和nb2o5為原料，按化學(xué)計量比pb0.97la0.02(zr0.9ti0.1)o3+1wt.％nb2o5配料。濕法球磨8h后，出料，烘干，得到粉料。將粉料置于850℃環(huán)境中預(yù)燒結(jié)2h，得到pb0.97la0.02(zr0.9ti0.1)o3+1wt.％nb2o5粉體。破碎pb0.97la0.02(zr0.9ti0.1)o3+1wt.％nb2o5粉體，然后濕法球磨24h，出料，烘干，加入6wt.％的pva造粒，在150mpa的壓強(qiáng)下將粉體壓制成型；經(jīng)800℃排膠2h后，1300℃燒結(jié)2h。燒成后的樣品經(jīng)細(xì)磨加工，得到pb0.97la0.02(zr0.9ti0.1)o3基體。對pb0.97la0.02(zr0.9ti0.1)o3基體進(jìn)行表面細(xì)磨、超聲清洗后，將其埋入平均粒徑為2μm的al2o3微粉中，在900℃溫度下熱處理2h，得到plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料樣品a，再將樣品a的兩平行表面細(xì)磨掉0.2mm左右，測試電性能及樣品表面的化學(xué)組成(xrf熒光半定量)。測試結(jié)果見表2，與未經(jīng)過固相滲透al2o3微粉處理的plzt陶瓷樣品的性能比較見表3。

實(shí)施例2

以粉末狀的pb3o4，zro2，tio2，la2o3和nb2o5為原料，按化學(xué)計量比pb0.97la0.02(zr0.9ti0.1)o3+1wt.％nb2o5配料。濕法球磨8h后，出料，烘干，得到粉料。將粉料置于850℃環(huán)境中預(yù)燒結(jié)2h，得到pb0.97la0.02(zr0.9ti0.1)o3+1wt.％nb2o5粉體。破碎pb0.97la0.02(zr0.9ti0.1)o3+1wt.％nb2o5粉體，然后濕法球磨24h，出料，烘干，加入6wt.％的pva造粒，在150mpa的壓強(qiáng)下將粉體壓制成型；經(jīng)800℃排膠2h后，1300℃燒結(jié)2h。燒成后的樣品經(jīng)細(xì)磨加工得到pb0.97la0.02(zr0.9ti0.1)o3基體。對pb0.97la0.02(zr0.9ti0.1)o3基體進(jìn)行表面細(xì)磨、超聲清洗后，將其埋入平均粒徑為2μm的al2o3微粉中，在900℃溫度下熱處理4h，得到plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料樣品b，再將樣品b的兩平行表面細(xì)磨掉0.2mm左右，測試電性能及樣品表面的化學(xué)組成(xrf熒光半定量)。測試結(jié)果見表2，與未經(jīng)過固相滲透al2o3微粉處理的plzt陶瓷樣品的性能比較見表3。

本申請實(shí)施例所用的al2o3微粉的粒度分布請參見圖2；

根據(jù)上述實(shí)施例1及實(shí)施例2，不同熱處理條件(900℃/2h，900℃/4h)下，plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料樣品的al2o3含量、斷裂韌性、維氏硬度以及電擊穿強(qiáng)度的變化趨勢請分別參見圖3、圖4、圖5及圖6。

表2

表3

根據(jù)上述實(shí)施例提供的一種plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料及其制備方法，以及實(shí)施例1和實(shí)施例2得到的性能測試結(jié)果可知，該plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料包括鋯鈦酸鉛鑭基體，以及滲透入所述鋯鈦酸鉛鑭基體的氧化鋁。通過固相擴(kuò)散滲透的方式，向制備得到的plzt基體中引入納米級的al2o3增強(qiáng)相，從而制備出plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷。plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷可以在保持材料原有的介電、壓電、鐵電等性能的基礎(chǔ)上，大幅度提高現(xiàn)有plzt陶瓷材料的力學(xué)性能和抗電擊穿強(qiáng)度。同時，其絕緣電阻也明顯增加；而且其機(jī)械性能、絕緣電阻以及抗電擊穿強(qiáng)度的提高，可以通過調(diào)整滲入的al2o3的含量，而在較大范圍內(nèi)調(diào)整。這種plzt/氧化鋁復(fù)合陶瓷材料特別適合在高電壓、或者大應(yīng)變、或者高絕緣電阻的環(huán)境下使用。

本說明書中各個實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見即可。

以上所述的本發(fā)明實(shí)施方式并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。