一種鋇、鎂、鎢取代鋯鈦酸鉛a位改性的壓電陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及壓電陶瓷，具體而言，設(shè)及一種領(lǐng)、儀、鶴取代錯鐵酸鉛A位改性的壓 電陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓電陶瓷是通過高溫燒結(jié)制成的，具有高介電常數(shù)、壓電性及優(yōu)異的機電禪合性 能的一種新興的陶瓷材料，能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換。其中最具有代表性的是錯鐵酸 鉛（PZT)壓電陶瓷。PZT壓電陶瓷由于其壓電性能化及由壓電性而引起的多種介電性能，在 宇航、電子、計算機、激光、超聲和能源等領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。
[0003] 隨著各行業(yè)的不斷的發(fā)展，對PZT壓電陶瓷的壓電性能要求也不斷提高，因此，對 純的PZT壓電陶瓷進行改性獲得改性的PZT壓電陶瓷材料，W提高其壓電性能，使其能夠滿 足日益提高的壓電性能的需求，已經(jīng)成為PZT壓電陶瓷發(fā)展的必然趨勢。
[0004] 壓電累是一種新型流體驅(qū)動器，它不需要附加驅(qū)動電機，而是利用壓電陶瓷的逆 壓電效應使壓電振子產(chǎn)生變形，再由變形產(chǎn)生累腔的容積變化實現(xiàn)流體輸出或者利用壓電 振子產(chǎn)生波動來傳輸流體。由于壓電累具有傳統(tǒng)累所不具備的特點，壓電累由壓電振子、累 閥和累體組成。工作中，當壓電振子兩端施加交流電源U時，壓電振子在電場作用下徑向壓 縮，內(nèi)部產(chǎn)生拉應力，從而使壓電振子彎曲變形。當壓電振子正向彎曲時，壓電振子伸長， 累腔容積增大，腔內(nèi)流體壓力減小，累閥打開，流體進入累腔；當壓電振子向反向彎曲時，壓 電振子收縮，累腔容積減小，腔內(nèi)流體壓力增大，累閥關(guān)閉，累腔內(nèi)的流體被擠壓排出，形成 平緩的連續(xù)不斷的定向流動。從壓電累的工作過程可看出，壓電振子的質(zhì)量直接影響壓電 累的壽命。其中，壓電振子的振幅及其壽命顯得尤為關(guān)鍵，壓電振子的振幅越大，可變腔體 容積的變化量越大，因此輸送介質(zhì)的流量也越大，壓力也越大，而傳統(tǒng)的壓電振子的振幅很 小，一般只能達到幾十微米，并與電壓直接相關(guān)，即電壓越大，其振幅越大，反之振幅越小， 但過高的提高電壓，則容易導致壓電振子的壓電陶瓷發(fā)生破裂。為實現(xiàn)高壽命、振幅大的壓 電振子，需從壓電元件進行改進，需提高其材料的機電禪合系數(shù)Kp及其介電常數(shù)，通過提高 機電禪合系數(shù)Kp、介電常數(shù)eT33/e。，從而提高壓電振 子的振幅，從而滿足微型壓電累的流量大、高壽命的要求。
[0005] 在中國專利申請?zhí)枮?01310301648.8,名為《錯鐵酸鉛B位妮錬復合取代改性的 壓電陶瓷及其制備方法》的專利文件中，公開了一種通過取代PZT的B位W得到改性的高 性能壓電陶瓷的方法，通過采用（訊1/2佩1/2)對純的PZT壓電陶瓷進行B位復合取代改性，獲 得妮錬復合取代改性的壓電陶瓷。當（訊1/2佩1/2)的取代量X=O. 05,合成反應溫度為950°C 時，獲得的改性的壓電陶瓷綜合壓電性能最好，其中，介電常數(shù)eT33/e。，壓電系數(shù)(I33,機電 禪合系數(shù)Kp值和損耗值tan5分別為1900, 360pC/N，73%，2. 3%，相對于純的PZT壓電陶瓷， 其上述壓電性能都得到了顯著的改善，能夠用于超聲波傳感器、壓電寬頻濾波器、壓電表貼 蜂鳴器及壓電陶瓷驅(qū)動器等電子器件中。但是該發(fā)明主要只對PZT的B位進行取代，獲得 壓電陶瓷的介電常數(shù)和壓電系數(shù)較小，只適用于制作部分儀器，無法應用在壓電累中。
[0006] 在《電子元件與材料》2006年7月第7期中發(fā)表的論文《Ba2+取代對PSN-PZT瓷結(jié) 構(gòu)和壓電性能的影響》，《壓電與聲光》2014年2月第36卷第1期中發(fā)表的論文《A位取代 對PZN-PNN-PZT壓電陶瓷性能的影響》等論文中，均具有利用A位取代可提高壓電陶瓷的性 能的描述。但是，前者只是探討了單一變量Ba2+對壓電陶瓷性能的影響，并沒有根據(jù)研究結(jié) 果提供優(yōu)化的壓電陶瓷配方與制作方法；而后者雖然提供了A位取代壓電陶瓷的配方，但 是其機電禪合系數(shù)非常低，不符合生產(chǎn)應用要求。
[0007] 因此需要研發(fā)一種具有獨創(chuàng)性的，性能參數(shù)針對壓電累的高性能改性壓電陶瓷及 其制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了提高PZT二元系壓電陶瓷的壓電性能，使其適應生產(chǎn)使用的高要求，本發(fā)明 實施例提供了一種領(lǐng)、儀、鶴取代錯鐵酸鉛A位改性的壓電陶瓷及其制備方法。所述技術(shù)方 案如下： 一方面，本發(fā)明提供了一種領(lǐng)、儀、鶴取代錯鐵酸鉛A位改性的壓電陶瓷，所述壓電陶 瓷的鉛復合取代物為：（BaxMgYWz),所述壓電陶瓷的成分及其化學計量比為：PbiXYZBax MgYWz(Zr〇.5〇Ti〇.5〇)〇3,其中 0 <X《0. 2，0 <Y《0. 1，0 <Z《0. 15。
[0009] 優(yōu)選地，所述壓電陶瓷的成分及其化學計量比為：PbiXYZBaxMgYWz(Zr〇.5〇Ti〇.5〇) 03，其中X=0.08，Y=0.06，Z=0.01。
[0010] 另一方面，本發(fā)明提供了制備所述一種領(lǐng)、儀、鶴取代錯鐵酸鉛A位改性的壓電陶 瓷的方法，所述方法按照如下步驟進行操作： 1) 配料：首先按照所述壓電陶瓷的成分及其化學計量比計算并稱取原料，然后將所述 原料于球磨罐中混合，得到混合的粉體； 2) 合成：將步驟1)得到的混合的粉體烘干后，于氧化侶相蝸內(nèi)、密封條件下、90(TC~ l〇3〇°C合成反應2.化，得到化1XYZBaxMgYWz(Zr〇.加Tio.加）〇3粉料； 3) 成型及排塑：首先將步驟2)得到的化1"2 6屯1邑丫胖2(2'。.5。1'1。.5。）〇3粉料球磨、烘 干后流延成膜、沖制成巧體，然后將所述巧體經(jīng)兩段升溫至400°C，保溫30min后，W5°C/ min的速率將所述巧體升溫至650°C保溫15min，W便排出有機物； 4) 燒結(jié)：將步驟3)得到的排出有機物后的巧體用步驟2)得到的化1XYZBa,MgYWz (Zr。.wTiaa：)〇3粉料埋燒：W5°C/min速率升溫至1280°C，保溫2小時，隨爐冷卻，得到燒結(jié) 的巧體； 5) 被覆銀電極、燒銀：將步驟4)得到的燒結(jié)的巧體超聲水洗烘干后被銀，再置于加熱 爐中，升溫至800°C保溫IOmin后自然冷卻至室溫，得到燒銀制品； 6) 極化：將步驟5)得到的燒銀制品，于100°C的空氣中，施加1500V/mm的直流電場，極 化lOmin，得到壓電陶瓷。
[00川具體地，步驟1)所述的原料包括：Pb化、BaC03、MgO、胖203、Zr02、Ti02;步驟1)所 述的原料于球磨罐中混合的條件為：球磨介質(zhì)為去離子水和Zr02球，原料、ZrO2球、去離子 水的重量比為1 :2. 5 :1，球磨罐的轉(zhuǎn)速為75化/min,球磨時間為2.化。
[0012] 優(yōu)選地，步驟2)所述的合成反應的溫度為990°C。
[0013] 具體地，步驟2)所述的烘干為在60~100°C干燥箱中烘干。
[0014] 具體地，步驟3)所述的巧體的直徑為17. 20mm，厚度為12. 5 + 0. 5um。
[001引具體地，步驟3)所述的兩段升溫為：先W3°C/min的速率將巧體升溫至200°C，再W2°C/min速率將巧體從200°C升溫至400°C。
[0016] 具體地，步驟5)的所述的被銀采用絲網(wǎng)印刷工藝。
[0017] 本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是： 本發(fā)明通過創(chuàng)造性地采用領(lǐng)、儀、鶴取代錯鐵酸鉛A位，獲得了改性的高性能壓電陶 瓷。當（BaxMgWZ)，的取代量X= 0.08,Y= 0.06，Z= 0. 10,，合成反應溫度為990°C時， 獲得的改性的壓電陶瓷綜合壓電性能最好，其中，介電常數(shù)eT33/e0,壓電系數(shù)d33,機電 禪合系數(shù)化值和損耗值tan5分別為4200, 560pC/N，90