專利名稱：鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系高熱釋電陶瓷材料及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱釋電陶瓷材料及其制備工藝，具體說，是涉及 一種鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系高熱釋電陶瓷材料及其制備工藝，屬于熱釋電 陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
熱釋電陶瓷是一類經(jīng)人工極化處理后，具有非零的宏觀極化強度的多晶固 體。熱釋電陶瓷材料具有成本低廉的優(yōu)勢，在防火、防盜、燈開關(guān)、玩具等方 面具有極大的應(yīng)用前景。熱釋電效應(yīng)可直接用于紅外探測和熱-電能量轉(zhuǎn)換。
目前使用的熱釋電材料為一元系熱釋電陶瓷材料，熱釋電系數(shù)大約在4x l(T 8C/K'cm2左右，例如中國專利CN1583665 (申請曰:2004， 6， 11)中公開的 Pb(ZiWTU03(簡稱PZT) —元系熱釋電陶瓷材料，其熱釋電系數(shù)在4 x 10_ 8C/K.cm2左右；雖然中國專利CN1884194 (申請日2006， 6, 23)中公開的 Pbb.yLaxCayTiLx/403 (簡稱PLCT) —元系熱釋電陶瓷材料，其熱釋電系數(shù)可高 達16xl0—8C/K*cm2,但該材料需釆用凝膠注模法成型，工藝較復雜，而且原 料中使用到的La203和CaC03,均容易吸潮，不利于保存和使用，且稀土氧化 物1^203還存在來源少、成本高問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡單、成本低廉的新型高熱釋電陶瓷材料
及其制備工藝，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷。
為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn) 本發(fā)明的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系高熱釋電陶瓷材料，是以鈮鎂酸鉛 (PMN)—鈥酸鉛(PT) 二元系為基元組成構(gòu)成的單組分線性熱釋電陶瓷材
料或多組分非線性熱釋電陶瓷材料，所述基元組成配方為xPb(Mg1/3Nb2/3)03
+ (l-x) PbTi03 ，即x P廳+ (l-x) PT, 其中x = 0.2 ~ 0.48。
上述基元組成還包括對其的摻雜元素，慘雜元素可為Mn、 Al或Ce元素， 摻雜量為0.2~1.5wt%。
上述鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系單組分線性高熱釋電陶瓷材料的制備工藝包 括如下順序步驟
1) 制備MgNb206,即，以堿式MgC03和Nb205反應(yīng)，其中MgC03和Nb205 的投料比(摩爾比)為l : l，反應(yīng)溫度為950~ 1020°C,反應(yīng)時間為2 6小時；
2) 制備鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單組分粉體，即，按化學式比例加入PbO和Ti02 (若有摻雜，包括摻雜原料)于上述MgNb206中反應(yīng)，反應(yīng)條件為先在680 ~
720。C反應(yīng)1 ~3小時，然后在820-860。C反應(yīng)1 ~3小時；
3) 按常規(guī)陶瓷材料燒結(jié)工藝進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1260~ 1370°C，燒結(jié)時 間為2~4小時；
4) 按常規(guī)陶瓷材料制備工藝進行被銀后極化，極化條件為在40 8(TC硅 油中，以2000 ~ 3000 V/mm電場強度極化5 ~ 15分鐘。
上述鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系多組分非線性高熱釋電陶瓷材料的制備工藝 包括如下順序步驟
1) 制備MgNb206,即，以堿式MgC03和Nb205反應(yīng)，其中MgC03和Nb205 的投料比(摩爾比)為l : 1,反應(yīng)溫度為950- 102(TC，反應(yīng)時間為2 6小時；
2) 制備鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛各組分粉體，即，分別按化學式比例加入PbO和 Ti02 (若有摻雜，包括摻雜原料)于上述MgNb206中反應(yīng)，反應(yīng)條件為先 在680 720。C反應(yīng)1~3小時，然后在820 860。C反應(yīng)1~3小時；
3) 先在模具中安置隔離片，將上述鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛各組分粉體填入相應(yīng) 區(qū)域中，然后抽去隔離片，加壓成型；
4) 按常規(guī)陶瓷材料燒結(jié)工藝進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1260~ 1330°C，燒結(jié)時 間為1 ~3小時；
5) 按常規(guī)陶瓷材料制備工藝進行被銀后極化，極化條件為在70 9(TC硅 油中，以2000 ~ 3000 V/mm電場強度極化5-15分鐘。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
1)由上述工藝制備的單組分線性鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛熱釋電陶瓷材料的熱釋
電系數(shù)達到8x10—8C/Kcm2以上，比一般傳統(tǒng)的熱釋電陶瓷材料高50%以上。
2) 由上述工藝制備的多組分非線性鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛熱釋電陶瓷材料在超 過15。C的溫度寬度內(nèi)(如70°C ~90°C)，熱釋電系數(shù)可達到12x 10_8C/K*cm2以 上，比一般傳統(tǒng)的熱釋電陶瓷材料高100%以上。
3) 熱釋電陶瓷的介電系數(shù)在1000 ~ 8000之間可調(diào)，適宜與紅外焦平面器件 匹配。
4) 與凝膠注模成型法制備工藝相比，本工藝制備簡單，原料處理方便，成 本低廉。


圖1為本發(fā)明的多組分熱釋電系數(shù)陶瓷材料示意圖。
具體實施例方式
下面通過實施例對本發(fā)明作進一步說明，其目的僅在于更好理解本發(fā)明的 內(nèi)容而非限制本發(fā)明的保護范圍 實施例1
鈮鎂酸鉛(PMN)—鈦酸鉛(PT )二元系基元組成配方為xPb(Mg1/3Nb2/3)03 + (l-x) PbTi03， x = 0.28,以上述組成配方的二元系基元制備單組分線性熱釋電 陶瓷材料的工藝如下
1) 制備MgNb206,即，以堿式MgC03和Nb20s反應(yīng)，其中MgC03和Nb20s 的投料比(摩爾比)為l : l,反應(yīng)溫度為950~ 1020°C,反應(yīng)時間為2 6小時；
2) 制備鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單組分粉體，即，按化學式比例加入PbO和Ti02 于上述MgNb206中反應(yīng)，反應(yīng)條件為先在680 720'C反應(yīng)1~3小時，然后 在820 ~ 860。C反應(yīng)1 ~ 3小時；
3) 按常規(guī)陶瓷材料燒結(jié)工藝進行燒結(jié),燒結(jié)溫度為1290~ 1330°C，燒結(jié)時 間為2~4小時；
4) 按常規(guī)陶瓷材料制備工藝進行被銀后極化，極化條件為在40 80'C硅 油中，以2000 ~ 3000 V/mm電場強度極化5 ~ 15分鐘。
由上述工藝制備的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系熱釋電陶瓷材料的熱釋電系數(shù)
為8x 10—8C/K*cm2，介電常數(shù)為1530。 實施例2
鈮鎂酸鉛(PMN) —鈦酸鉛(PT) 二元系基元組成配方分別為x Pb(Mg1/3Nb2/3)03 + (l-x)PbTi03，x =0.31 (1#)， 0.33 (2# )， 0.35 (3#),以上 述各組成配方的二元系基元制備多組分非線性熱釋電陶瓷材料的工藝如下
1) 制備MgNb206，即，以堿式MgC03和Nb205反應(yīng)，其中MgC03和Nb2Os 的投料比(摩爾比)為l : l，反應(yīng)溫度為950~ 1020°C,反應(yīng)時間為2 6小時；
2) 制備鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛各組分粉體，即，分別按化學式比例加入PbO和 Ti02于上述MgNb206中反應(yīng)，反應(yīng)條件為先在680 ~ 72(TC反應(yīng)1 ~ 3小時， 然后在820 860'C反應(yīng)1-3小時；
3) 先在模具中安置隔離片，將上述鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛各組分粉體填入相應(yīng) 區(qū)域中，然后抽去隔離片，加壓成型(見圖l所示)；
4) 按常規(guī)陶瓷材料燒結(jié)工藝進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1300~ 1330°C，燒結(jié)時 間為1~3小時；
5) 按常規(guī)陶瓷材料制備工藝進行被銀后極化，極化條件為在70 9(TC硅 油中，以2000 ~ 3000 V/mm電場強度極化5~ 15分鐘。
由上述工藝制備的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系熱釋電陶瓷材料的熱釋電系數(shù) 為12 x l(T8 C/K*cm2，介電常數(shù)為3860,在70 ~卯。C的溫度范圍內(nèi)，該材料 可發(fā)生鐵電(菱方)-鐵電(四方)相變。
實施例3
鈮鎂酸鉛(PMN )—鈦酸鉛(PT )二元系基元組成配方為xPb(Mgi/3Nb2/3)03 + (l-x)PbTiO3,x = 0.25，其中摻雜元素為Mn(以MnO形式)，摻雜量為0.5 wt% MtiO,以上述組成配方的摻雜二元系基元制備單組分線性熱釋電陶瓷材料的工 藝如下
1) 制備MgNb206,即，以堿式MgC03和Nb205反應(yīng)，其中MgC03和Nb20s 的投料比(摩爾比)為l : l,反應(yīng)溫度為950~ 1020°C，反應(yīng)時間為2 6小時；
2) 制備鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單組分粉體，即，按化學式比例加入PbO、 Ti02及 Mn02與上述MgNb206中反應(yīng)，反應(yīng)條件為先在680 ~ 720。C反應(yīng)1~3小時， 然后在820 860。C反應(yīng)1~3小時；
3) 按常規(guī)陶瓷材料燒結(jié)工藝進行燒結(jié),燒結(jié)溫度為1310~ 1340°C,燒結(jié)時 間為2~4小時；
4) 按常規(guī)陶瓷材料制備工藝進行被銀后極化，極化條件為在40 8(TC硅 油中，以2000 ~ 3000 V/mm電場強度極化5 ~ 15分鐘。
由上述工藝制備的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系熱釋電陶瓷材料的特點是介電 損耗較小，為0.8%，熱釋電系數(shù)為8.5X10-8 C/K*cm2，介電常數(shù)為2320。 實施例4
鈮鎂酸鉛(PMN)—鈦酸鉛(PT )二元系基元組成配方為x Pb(Mg1/3Nb2/3)03 + (l-x)PbTi03,x =0.33，其中摻雜元素為Al (以Al2Cb形式)，摻雜量分別為 0.5 wt%Al203 ( 1 #)、 0.8 wt%Al203 (2#)、 1.0 wt% A1203 ( 3 # ),以上述各組 成配方的摻雜二元系基元制備多組分非線性熱釋電陶瓷材料的工藝如下
1) 制備MgNb206,即，以堿式MgC03和Nb205反應(yīng)，其中MgC03和Nb205 的投料比(摩爾比)為l : l,反應(yīng)溫度為950~ 1020°C，反應(yīng)時間為2 6小時；
2) 制備鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛各組分粉體，即，分別按化學式比例加入PbO、 Ti02及Al203于上述MgNb206中反應(yīng)，反應(yīng)條件為先在680 ~ 72(TC反應(yīng)1~ 3小時，然后在820 86(TC反應(yīng)1~3小時；
3) 先在模具中安置隔離片，將上述鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛各組分粉體填入相應(yīng) 區(qū)域中，然后抽去隔離片，加壓成型(見圖l所示)；
4) 按常規(guī)陶瓷材料燒結(jié)工藝進行燒結(jié),燒結(jié)溫度為1270~ 1300°C,燒結(jié)時 間為1~3小時；
5) 按常規(guī)陶瓷材料制備工藝進行被銀后極化，極化條件為在70 90'C硅 油中，以2000 ~ 3000 V/mm電場強度極化5 ~ 15分鐘。
由上述工藝制備的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛熱釋電陶瓷材料，燒結(jié)溫度較低，在 60 75。C的溫度范圍內(nèi)發(fā)生鐵電(菱方)-鐵電(四方)相變，熱釋電系數(shù)為13xl0一8 C/K*cm2,介電常數(shù)為2850。
權(quán)利要求
1.一種鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系高熱釋電陶瓷材料，其特征在于，以鈮鎂酸鉛(PMN)-鈦酸鉛(PT)二元系為基元組成構(gòu)成單組分線性熱釋電陶瓷材料或多組分非線性熱釋電陶瓷材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系高熱釋電陶瓷材料，其 特征在于，所述基元組成配方為xPb(Mg1/3Nb2/3)03 + (l-x)PbTi03，即xP畫 十(l-x)PT, 其中x = 0.2~0.48。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系高熱釋電陶瓷材料，其 特征在于，所述基元組成還包括對其的摻雜元素。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系高熱釋電陶瓷材料，其 特征在于，所述摻雜元素為Mn、 Al或Ce元素。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系高熱釋電陶瓷材料， 其特征在于，所述摻雜量為0.2~1.5wt%。
6. —種權(quán)利要求1所述的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系單組分線性高熱釋電陶 瓷材料的制備工藝，其特征在于，所述工藝包括如下順序步驟1) 制備MgNb206,即，以堿式MgC03和Nb205反應(yīng)，其中MgC03和Nb205 的投料比(摩爾比)為l : 1,反應(yīng)溫度為950~ 1020°C,反應(yīng)時間為2 6小時；2) 制備鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單組分粉體，即按化學式比例加入PbO和Ti02 (若有摻雜，包括摻雜原料)于上述MgNb206中反應(yīng)，反應(yīng)條件為先在680 ~72(TC反應(yīng)1 ~3小時，然后在820 86(TC反應(yīng)1 ~3小時；3) 按常規(guī)陶瓷材料燒結(jié)工藝進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1260~ 1370°C,燒結(jié)時 間為2~4小時；4) 按常規(guī)陶瓷材料制備工藝進行被銀后極化，極化條件為在40 8(TC硅 油中，以2000 ~ 3000 V/mm電場強度極化5 ~ 15分鐘。
7. —種權(quán)利要求1所述的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系多組分非線性高熱釋電 陶瓷材料的制備工藝，其特征在于，所述工藝包括如下順序步驟1)制備MgNb206,即，以堿式MgC03和Nb205反應(yīng)，其中MgC03和Nb205 的投料比(摩爾比)為l : l,反應(yīng)溫度為950~ 1020°C，反應(yīng)時間為2-6小時； 2) 制備鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛各組分粉體，即，分別按化學式比例加入PbO和Ti02 (若有摻雜，包括摻雜原料)于上述MgNb206中反應(yīng)，反應(yīng)條件為先 在680 720。C反應(yīng)1~3小時，然后在820-860。C反應(yīng)1~3小時；3) 先在模具中安置隔離片，將上述鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛各組分粉體填入相應(yīng) 區(qū)域中，然后抽去隔離片，加壓成型；4) 按常規(guī)陶瓷材料燒結(jié)工藝進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1260~ 1330°C,燒結(jié)時 間為1 ~3小時；5) 按常規(guī)陶瓷材料制備工藝進行被銀后極化，極化條件為在70 9(TC硅 油中，以2000 ~ 3000 V/mm電場強度極化5 ~ 15分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛二元系高熱釋電陶瓷材料，所述陶瓷材料是以鈮鎂酸鉛(PMN)-鈦酸鉛(PT)二元系為基元組成構(gòu)成的單組分線性熱釋電陶瓷材料或多組分非線性熱釋電陶瓷材料，基元組成配方為xPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃+(1-x)PbTiO₃，即xPMN+(1-x)PT，其中x＝0.2～0.48，上述基元組成還包括對其的摻雜元素。本發(fā)明的熱釋電系數(shù)比一般傳統(tǒng)的熱釋電陶瓷材料高，熱釋電陶瓷的介電系數(shù)在1000～8000之間可調(diào)，適宜與紅外焦平面器件匹配。本發(fā)明的制備工藝比凝膠注模成型法操作簡單，原料處理方便，而且成本低廉。
文檔編號C04B35/472GK101100376SQ200710043899
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月17日
發(fā)明者孫大志, 張?zhí)m蘭, 杰 朱, 朱玉丹, 錢娟娟 申請人:上海師范大學