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一種機(jī)電耦合系數(shù)明顯各向異性的高性能鋯酸鉛基壓電陶瓷材料及其制備方法

文檔序號(hào):9465310閱讀:729來源:國知局
一種機(jī)電耦合系數(shù)明顯各向異性的高性能鋯酸鉛基壓電陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)電耦合系數(shù)具有明顯各向異性特點(diǎn)的高性能鋯酸鉛基壓電陶瓷材 料及其制備方法,屬于功能陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐵電壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化,因此在換能器、傳感器及濾波器 等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。 [1]壓電換能器在工作時(shí),同時(shí)存在多種振動(dòng)模式,如徑向振動(dòng)、 厚度振動(dòng)等。對(duì)于某種特定應(yīng)用,一般希望獲得單一的振動(dòng)模式,如在超聲換能器中,希望 獲得純的厚度振動(dòng)模式。但是對(duì)于普通的壓電陶瓷,由于多個(gè)振動(dòng)模式同時(shí)存在,不同振動(dòng) 模式可能在接近的頻率出現(xiàn),從而造成振動(dòng)模式之間的相互影響,降低換能器的分辨率等 性能。對(duì)于高頻超聲換能器等應(yīng)用,需要壓電陶瓷有著盡量大的厚度機(jī)電耦合系數(shù)K t,盡量 小徑向機(jī)電耦合系數(shù)Kp,即大的各向異性,這樣可以使換能器與媒介充分耦合,減少徑向振 動(dòng)產(chǎn)生的寄生響應(yīng),以提高超聲檢測的信噪比及分辨率。 [24]普通的鋯鈦酸鉛0ΡΖΤ)基壓電 陶瓷材料盡管具有優(yōu)異的壓電性能,但是其厚度機(jī)電耦合系數(shù)Kt與徑向機(jī)電耦合系數(shù)K 1Ji 值接近,因此在高頻超聲換能器等應(yīng)用中受到一定的限制。
[0003] 為了獲得具有大各向異性的壓電陶瓷,各國研究人員開展了廣泛的研究。俄羅斯 研究人員采用改性的鈮酸鈉基壓電陶瓷,該陶瓷雖然具有較好的各向異性,但是其厚度機(jī) 電耦合系數(shù)K t較低,不利于實(shí)際應(yīng)用。[5]上世紀(jì)70年代,日本研究人員發(fā)現(xiàn)堿土金屬或稀 土離子摻雜的鈦酸鉛(PbTiO 3)基壓電陶瓷Kt較高,而Kp較低,具有大的各向異性,適合作 為高頻超聲換能器。鈦酸鉛晶體結(jié)構(gòu)具有大的c/a比,自高溫冷卻通過居里點(diǎn)時(shí),由于晶胞 體積的急劇變化,陶瓷會(huì)碎裂成粉末,迄今為止研究人員無法獲得純鈦酸鉛陶瓷。經(jīng)過堿土 金屬或稀土離子摻雜后的鈦酸鉛陶瓷雖然能制備成功,但是在放置一段時(shí)間后,也容易發(fā) 生開裂。因此,鈦酸鉛基陶瓷雖然具有較好的性能,但是其制備仍然有一定困難。 [67]。
[0004] 綜上所述,目前已知的具有大各向異性壓電陶瓷在性能或制備工藝上均存在不同 程度的缺點(diǎn),因此,尋找同時(shí)具有大各向異性、優(yōu)異的壓電性能及良好的工藝特性的材料仍 然是各國研究人員努力的方向。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn):
[1] B. Jaffe, ff. R. Cook,and H. Jaffe, Piezoelectric Ceramics,Academic Press, New York,1971
[2] A. V. Turik and V. Yu Topolov, Ferroelectric ceramics with a large piezoelectric anisotropy, J.Phys.D:Appl. Phys. ,30(1997) 1541 - 1549
[3] 張健,張沛霖,鐘維烈,關(guān)于鈦酸鉛陶瓷的壓電各向異性,壓電與聲光,1996,18 (5): 349-353
[4] 張?jiān)磦?,尚勛忠,周桃生,柴荔英,鄺安祥,袁潤章,制備工藝?duì)新型大各向異性壓電 陶瓷材料性能的影響,功能材料,2001,32 (3) : 305-307
[5] L. A. Reznichenko, L. A. Shilkina, A. V. Turik, and S. I. Dudkina, Giant Piezoelectric Anisotropy in Sodium Niobate with a Composite-Like Structure, Tech.Phys.,2002,47(2):206 - 208
[6] Ichiro Ueda,Effects of Additives on Piezoelectric and Related Properties of PbTiO3Ceramics, J. J. Appl. Phys. , 1972,11 (4) :450-462
[7] H. Takeuchi, S.Jyomura, Y.Ito et al, Rare-earth substituted piezoelectric PbTiO3Ceramics for acoustic wave applications,F(xiàn)erroelectrics,1983,51:71-80。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決現(xiàn)有鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷各向異性低及鈦酸鉛壓電陶瓷雖然各向異性 大,但是難于燒結(jié)等問題,本發(fā)明提供一種鋯酸鉛基壓電陶瓷材料配方及制備工藝,該材料 具有良好的壓電性能、大的各向異性及良好的燒結(jié)特性、可以滿足高頻超聲換能器、濾波器 rFFf 寺而安。
[0007] -方面,本發(fā)明提供一種機(jī)電耦合系數(shù)具有明顯各向異性特點(diǎn)的高性能鋯酸 鉛基壓電陶瓷材料(PZ-PMN),所述陶瓷材料的組成通式為:(I-X) PbZrO3-XPb (Mg1/3Nb2/3) 03+y(ZMnO2+(1-z)CeO 2),其中:x為摩爾比,且滿足(λ 05彡X彡(λ 12 ;y、z為重量比,以 PZ-PMN陶瓷粉體總重量計(jì),且滿足0彡y彡0· 10 ;0彡z彡L 0。
[0008] 優(yōu)選地,0 < y 彡 0· 10 ;0 < z 彡 1. 0。
[0009] 本發(fā)明的鋯酸鉛基壓電陶瓷材料的厚度機(jī)電耦合系數(shù)&在0. 40~0. 48之間,厚 度機(jī)電耦合系數(shù)Kt與徑向機(jī)電耦合系數(shù)K p之比Kt/Kp為8~24。
[0010] 本發(fā)明的鋯酸鉛基壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)d33為56~65pC/N,機(jī)械品質(zhì)因子Qm 為800以上。
[0011] 本發(fā)明的鋯酸鉛基壓電陶瓷材料具有良好的壓電性能、大的各向異性及良好的燒 結(jié)特性、可以滿足高頻超聲換能器、濾波器等需要。
[0012] 本發(fā)明的鋯酸鉛基壓電陶瓷材料為正交相的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
[0013] 另一方面,本發(fā)明提供上述鋯酸鉛基壓電陶瓷材料的制備方法,包括如下步驟: a) 按照(l-x)PbZr03-xPb(Mg1/3Nb2/3)0 3+y(zMn02+(l-z)Ce02)通式稱量化學(xué)計(jì)量比的 Pb304、Zr02、MgC03、Nb 205、]\1]1〇2及CeO 2,濕法球磨混合均勾后烘干; b) 將混合均勻的粉體過篩壓塊后,在800~950°C下合成2~4小時(shí),以獲得所需要的 物相; c) 將合成后的粉體濕法球磨混合均勻后烘干; d) 將球磨后的粉體加入粘結(jié)劑,造粒,壓制成型,排出素坯中的有機(jī)成分; e) 將素坯在氧氣氣氛中在1100~1240°C燒結(jié)2~4小時(shí),即可獲得高性能鋯酸鉛基 壓電陶瓷。
[0014] 本發(fā)明制備工藝簡單,燒結(jié)后陶瓷致密度高,不產(chǎn)生開裂。
[0015] 較佳地,步驟a)中,Pb含量另加4~6%的過量。借助于此,可以防止在燒結(jié)過程 中PbO的揮發(fā)。
[0016] 較佳地,步驟a)中,采用去離子水和鋯球作為介質(zhì),原料、鋯球和去離子水的質(zhì)量 比為1 : (2~4) : (1~1. 2),球磨時(shí)間為4~6小時(shí)。
[0017] 較佳地,步驟c)中,采用去離子水和鋯球作為介質(zhì),原料、鋯球和去離子水按的質(zhì) 量比為1 : (2~4) : (0. 8~1),球磨時(shí)間為6~8小時(shí)。
[0018] 較佳地,步驟d)中,將壓制成型的素坯在500~600°C溫度下保溫2~8小時(shí)以排 出素坯中的有機(jī)成分。
[0019] 本發(fā)明提供的陶瓷材料易燒結(jié)、同時(shí)具有大的Kt/Kp比、優(yōu)異的壓電性能、高機(jī)械 品質(zhì)因子等優(yōu)點(diǎn),非常適合高頻壓電超聲換能器應(yīng)用。
【附圖說明】
[0020] 圖1為實(shí)施例1制得的陶瓷材料的XRD譜圖; 圖2為實(shí)施例1制得的陶瓷的電滯回線; 圖3為實(shí)施例1制得的陶瓷材料在雙向電場下的應(yīng)變曲線; 圖4為實(shí)施例1制得的陶瓷在100kHz-5MHz范圍內(nèi)的阻抗-頻率曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 以下結(jié)合附圖和下述實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明,應(yīng)理解,附圖及下述實(shí)施方式 僅用于說明本發(fā)明,而非限制本發(fā)明。
[0022] 本發(fā)明提供了一種機(jī)電耦合系數(shù)具有明顯各向異性特點(diǎn)的高性能鋯酸鉛基壓電 陶瓷材料及其制備方法。所述陶瓷材料的組成通式為: (1-x)PbZrO3-XPb (Mg1/3Nb2/3) 03+y (ZMnO2+ (1-z) CeO2)(簡寫為 PZ-PMN),其中:x 為摩爾 比,且滿足0. 05彡X彡0. 12 ;y、z為重量比,以PZ-PMN陶瓷粉體總重量計(jì),且滿足0彡y彡 〇· ?ο ;〇 < z d
[0023] 優(yōu)選地0 < y < 0. 10。優(yōu)選地,0 < z < 1. 0,更優(yōu)選地,0 < z < 1,進(jìn)一步優(yōu)選 地,0 < z 彡 0· 5〇
[0024] 本發(fā)明的PZ-PMN陶瓷具有較高的厚度機(jī)電耦合系數(shù)Kt、較小的徑向機(jī)電耦合系數(shù) Kp及較高的機(jī)械品質(zhì)因子Q "。例如,其厚度機(jī)電耦合系數(shù)心在0. 40~0. 48之間;厚度及 徑向機(jī)電耦合系數(shù)比Kt/Kp為8~24 ;其壓電常數(shù)d 33為56~65pC/N ;機(jī)械品質(zhì)因子Qm為 1000以上,可滿足高頻超聲換能器及濾波器的性能要求,具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0025] 本發(fā)明的PZ-PMN陶瓷具有單一的物相,為正交相的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
[0026] 本發(fā)明的PZ-PMN陶瓷具有良好的
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