專利名稱：摻雜La₂O₃的鋅鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于以成分為特征的陶瓷組合物，尤其涉及摻雜La2O3的鋅鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛(PZN-PZT)壓電陶瓷。
背景技術(shù)：
壓電材料是一種將機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)化的功能陶瓷材料。它是一種具有壓電性 能的材料。壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料-壓電效 應(yīng)，壓電陶瓷除具有壓電性外，還具有介電性、彈性等。壓電陶瓷材料由于具有優(yōu)異的電學(xué) 性能和穩(wěn)定的力學(xué)性能，且制備工藝簡單、成本低，因此在信息、航天、激光和生物等高新技 術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)生產(chǎn)中都得到了廣泛應(yīng)用。在換能器應(yīng)用方面，如壓電水聲技術(shù)，利用正、逆壓電效應(yīng)，通過發(fā)射或接收聲波， 以達(dá)到水下探測、通信乃至觀察的目的，由于電磁波在水介質(zhì)中的衰減極大，目前已研制出 可偵察上百海里以外水下目標(biāo)位置及方向的“壓電水下雷達(dá)”(即聲納系統(tǒng))。在超聲技術(shù) 中，壓電超聲診斷儀、超聲探傷儀、超聲波清洗儀、超聲加工設(shè)備以及超聲計(jì)量設(shè)備等，其他 如電聲設(shè)備、高壓電點(diǎn)火引爆裝置等領(lǐng)域，均取得了明顯的社會經(jīng)濟(jì)效益。近年來，壓電材料在汽車技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多，以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、傳感、驅(qū) 動、頻率控制等功能。其中壓電陶瓷具有響應(yīng)快、制造簡單、能量密度高、易于控制等特點(diǎn)， 是制備驅(qū)動器的理想材料。其主要用于電動后視鏡、電動門窗、電動座椅、制動片的驅(qū)動等。 當(dāng)采用壓電驅(qū)動器或壓電電機(jī)驅(qū)動時(shí)，可大大減少電機(jī)的體積，且具有控制精度高、不受電 磁干擾、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)；特別是，壓電驅(qū)動器或壓電電機(jī)可直接直線驅(qū)動控制，無需將旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。各種壓電驅(qū)動器已經(jīng)在智能材料結(jié)構(gòu)、減震降噪系統(tǒng)、 MEMS系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用，尤其在智能材料結(jié)構(gòu)中，其作用不可替代，常被用來實(shí)現(xiàn)機(jī) 構(gòu)的機(jī)械動作，從而改變整個智能機(jī)構(gòu)的形狀、剛度、固有頻率、阻尼等特性。因此，驅(qū)動器 研究的深入，將大大促進(jìn)其相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)展。隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對于性能優(yōu)異的壓電陶瓷材料的開發(fā)和探索 已成為各國研究的熱點(diǎn)問題。目前，在性能改進(jìn)方面主要采用2種方法一種是摻雜改性， 即摻雜某種改性離子；另一種是改進(jìn)制備工藝。盡管人們通過摻雜改性以及工藝的改進(jìn)，獲得了較高壓電性能的PZN-PLZT壓電 陶瓷，但是仍有許多問題未得到解決，其中介電損耗成為一個讓很多人頭疼的問題。中科院 上海硅酸鹽研究所的鄭夏等人通過對PZN-PLZT體系進(jìn)行摻雜改性，使壓電系數(shù)達(dá)580pC/ N，但其介電損耗非常大(tanS >4%)，雖然在此基礎(chǔ)上，采用熱壓燒結(jié)，使壓電系數(shù)提高 到680pC/N，但同樣沒有解決介電損耗大的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種壓電系數(shù)高、介質(zhì)損耗小壓電陶瓷。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明為0. 3Pb (Znl73Nb273) O3-O. 7PbyLax (ZrzTim) 03，其中 χ = 0. 01 0. 07，y = 1-χ, ζ = 0. 50 0. 53, m = l_z。其優(yōu)選的原料組分及其摩爾百分比含量為0. 3Pb (Znl73Nb273)O3-O. 7PbyLax (ZrzTim) 03，式中 χ = 0. 03 0. 07，y = 1-χ, ζ = 0. 50 0. 52，m = l_z。其最佳的原料組分及其摩爾百分比含量為0. 3Pb (Znl73Nb273)O3-O. 7PbyLax (ZrzTim) O3,式中 χ 為 0.03，y 為 0. 97，ζ 為 0. 51，m 為 0. 49。
所述壓電陶瓷是單一鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。所述原料為Pb304、ZnO、Nb2O5, ZrO2, TiO2, La203。所述壓電陶瓷于1230 1270°C燒結(jié)。本發(fā)明的有益效果是以鈮酸鋅鉛系統(tǒng)Pb (Znl73Nb273) O3-Pb (ZrzTim) O3為基礎(chǔ)，采 用前驅(qū)體合成法，通過摻雜改性，提高了其電學(xué)性能，得到了優(yōu)異的壓電性能，提供了一種 壓電系數(shù)高、介質(zhì)損耗小、綜合性能好的壓電陶瓷，其中d33 > 500pC/N、Kp > 0.6、tan δ < 2%。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用市售的化學(xué)純原料(純度彡99% )，為Pb304、ZnO、Nb2O5, ZrO2, TiO2,
L3-2^3 °具體制備方法為(1)制備前軀體以ZnCKNb2O5為原料，按照按摩爾比為1 1分別稱量ZnO和Nb2O5,并按照下式進(jìn) 行合成反應(yīng)ZnCHNb2O5 — ZnNb2O6(2)將原料Pb304、ZnNb206、&02、Ti02、La203混合放入球磨罐中(里面放有瑪瑙球)， 加入適當(dāng)?shù)乃?，球磨介質(zhì)為水和瑪瑙球，球料水的重量比為2 1 0.6，球磨處，轉(zhuǎn)速 為750轉(zhuǎn)/分，將混合料放入烘箱內(nèi)80°C烘干，再放入研缽內(nèi)研磨，過80目篩。(3)預(yù)燒將研磨過篩后的粉料放入坩堝內(nèi)，用瑪瑙棒壓實(shí)，加蓋，密封，在馬弗爐中900°C保 溫2h，自然冷卻到室溫，出爐。(4)、將合成的料二次球磨、烘干、過篩，加入5wt% 7襯％的PVA進(jìn)行造粒，之后 將其搗碎，在200 250Mpa的壓力下壓制成直徑約12mm，厚度為1. 2mm的圓片狀坯件。(5)排膠將坯件放入馬弗爐中，200°C和350°C各保溫0. 5h，升溫至650°C進(jìn)行有機(jī)物排除。(6)燒結(jié)將排膠坯件放入坩堝中，密封，用同類粉料做埋料埋燒，升溫速度為6°C /分鐘，在 1230 1270°C保溫2h，隨爐自然冷卻至室溫。(7)燒銀將燒結(jié)好的陶瓷片打磨至0. 9 1. Imm厚，采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在其上下表面印刷 銀漿，置于爐中，升溫至750°C并保溫lOmin，自然冷卻至室溫。
(8)極化將燒好銀的試樣置于硅油中加熱到110 180°C，施加3kv/mm的直流電壓，持續(xù)20 30min，制備成壓電陶瓷。(9)測試壓電性能極化完測試片，室溫下靜置24h后測試壓電性能。具體實(shí)施例如下按照前軀體法制得ZnNb2O6,再用傳統(tǒng)制備方法，將Pb304、ZnNb2O6,ZrO2,TiO2^La2O3 氧化物粉末按化學(xué)配比稱量，在研缽中研細(xì)，過篩，放入球磨罐內(nèi)球磨4h，烘干；將烘干的 粉料在研缽中研細(xì)，過篩，造粒；單軸應(yīng)力成型，成型壓力200 250Mpa ；生坯片直徑12_ ； 生坯片在1230 1270°C保溫2h燒結(jié)。按照0. 3Pb (Znl73Nb273) O3-O. 7PbyLax (ZrzTim) O3 的化學(xué)計(jì)量比，χ 分別取 0· 01,0. 03, 0. 05,0. 07, y = l_x，z 分別取 0. 5,0. 51,0. 52,0. 53,m = l_z，燒結(jié)溫度取 1230°C，1250°C， 1270°C。χ = 0. ΟΙ,ζ = 0. 5，燒結(jié)溫度為 1230°C，1250°C，1270°C，分別記為 1-1、1-2、1-3 ；χ =0. 03, ζ = 0. 5，燒結(jié)溫度為 1230°C，1250°C，1270°C，分別記為 2-1、2_2、2_3 ；χ = 0. 05, ζ =0. 5，燒結(jié)溫度為 1230°C，1250°C，1270°C，分別記為 3-1、3_2、3_3 ；χ = 0. 07, ζ = 0. 5，燒 結(jié)溫度為 12301，12501，12701，分別記為4-1、4-2、4-3 ；χ = 0.01，ζ = 0. 51，燒結(jié)溫度為 1230°C，1250°C，1270°C，分別記為 5-1、5_2、5_3 ；χ = 0. 03，ζ = 0. 51，燒結(jié)溫度為 1230°C, 1250°C，1270°C，分別記為 6-1、6_2、6_3 ；χ = 0. 05，ζ = 0. 51，燒結(jié)溫度為 1230°C，1250°C， 1270°C，分別記為 7-1、7-2、7-3 ；χ = 0. 07，ζ = 0. 51，燒結(jié)溫度為 1230°C，1250°C，1270°C， 分別記為 8-1、8-2、8-3 ；χ = 0. 01，ζ = 0. 52，燒結(jié)溫度為 1230°C，1250°C，1270°C，分別記 為 9-1、9-2、9-3 ;x = 0. 03，ζ = 0. 52，燒結(jié)溫度為 1230°C，1250°C，1270°C，分別記為 10-1,
10-2,10-3；χ = 0. 05, ζ = 0. 52，燒結(jié)溫度為 1230°C，1250°C，1270°C，分別記為 11_1、11_2、
11-3；χ = 0. 07，ζ = 0. 52 燒結(jié)溫度為 1230°C，1250°C，1270°C，分別記為 12-1、12-2、12-3 ； χ = 0.01，ζ = 0. 53 燒結(jié)溫度為 1230°C，1250°C，1270°C，分別記為 13-1、13-2、13-3 ；χ = 0. 03，ζ = 0. 53 燒結(jié)溫度為 12300C，1250°C，1270°C，分別記為 14-1、14-2、14-3 ；χ = 0. 05， ζ = 0. 53 燒結(jié)溫度為 1230°C，1250°C，127(TC，分別記為 15-1、15-2、15-3 ；χ = 0. 07，ζ = 0. 53燒結(jié)溫度為1230°C，1250°C，1270°C，分別記為16-1、16-2、16-3。上述實(shí)施例介電性能 測試結(jié)果列于表1。表 1 當(dāng)χ= 0.03，ζ = 0.51 即 Zr/Ti = 51 49，燒結(jié)溫度為 1250°C 時(shí)(實(shí)施例 6-2)， tan δ = 1. 68X10_2 (Automatic LCR Meter4225), ^3Ao =2934，d33 = 550PC/N(準(zhǔn)靜態(tài) 方法，Model/ZJ-3A，China)，Kp = 0. 6076 (目前PZN-PLZT壓電陶瓷研究水平在壓電系數(shù)達(dá) 580PC/N，但其介電損耗非常大(tan δ > 4% ))0本發(fā)明壓電陶瓷材料可用于制備主要應(yīng)用于壓電陶瓷驅(qū)動器、壓電變壓器、換能 器，汽車內(nèi)置的振動傳感器、控制器殼體、蜂鳴器等器件。上述對實(shí)施例的描述是便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟 悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原 理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng) 域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種摻雜La2O3的鋅鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其原料組分及其摩爾百分比含量為0.3Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.7PbyLax(ZrzTim)O3，式中x＝0.01～0.07，y＝1-x，z＝0.50～0.53，m＝1-z。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的摻雜La2O3的鋅鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在于，其優(yōu)選 的原料組分及其摩爾百分比含量為0. 3Pb (Znl73Nb273)O3-O. 7PbyLax (ZrzTim) O3，式中式中χ = 0. 03 0. 07，y = 1-χ, ζ = 0. 50 0. 52，m = l_z。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的摻雜La2O3的鋅鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在于，其最 佳的原料組分及其摩爾百分比含量為0. 3Pb (Znl73Nb273)O3-O. 7PbyLax (ZrzTim) O3，式中χ為 0. 03，y 為 0. 97，ζ 為 0. 51，m 為 0. 49。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3的摻雜La2O3的鋅鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在 于，所述壓電陶瓷是單一鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3的摻雜La2O3的鋅鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在 于，所述原料為 Pb304、ZnO、Nb2O5, ZrO2, TiO2, La203。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3的摻雜La2O3的鋅鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在 于，所述壓電陶瓷于1230 1270°C燒結(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種摻雜La2O3的鋅鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛(PZN-PZT)壓電陶瓷，其原料組分及其摩爾百分比含量為0.3Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.7PbyLax(ZrzTim)O3，x＝0.01～0.07，y＝1-x，z＝0.5～0.53，m＝1-z，于1230～1270℃燒結(jié)。本發(fā)明首先采用前軀體法制得ZnNb2O6，再采用傳統(tǒng)制備方法，提供了一種壓電系數(shù)高、介質(zhì)損耗小、綜合性能好的壓電陶瓷，本發(fā)明主要應(yīng)用于壓電陶瓷驅(qū)動器、壓電變壓器、換能器，汽車內(nèi)置的振動傳感器、控制器殼體蜂鳴器等器件。
文檔編號H01L41/187GK101863660SQ20101019799
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者喬柳, 孫清池, 王曉娜, 馬衛(wèi)兵 申請人:天津大學(xué)