專利名稱：鑭摻雜鋅鈮酸鉛-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，壓電陶瓷除具有壓電性能之外，還具有介電性和彈性性能等。壓電陶瓷材料由于具有優(yōu)異的介電性和彈性性能，且制備工藝簡(jiǎn)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，由于電磁波在水介質(zhì)中的衰減極大，而壓電水聲技術(shù)利用正、 逆壓電效應(yīng)，通過發(fā)射或接收聲波，可以達(dá)到水下探測(cè)、通信乃至觀察的目的，所以對(duì)壓電水聲技術(shù)的研究尤為重要。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(huì)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(dòng)、頻率控制等功能。其中壓電陶瓷具有響應(yīng)快、制造簡(jiǎn)單、能量密度高、易于控制等特點(diǎn)， 是制備驅(qū)動(dòng)器的理想材料。其主要用于電動(dòng)后視鏡、電動(dòng)門窗、電動(dòng)座椅、制動(dòng)片的驅(qū)動(dòng)等。 當(dāng)采用壓電驅(qū)動(dòng)器或壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器或壓電電機(jī)可直接直線驅(qū)動(dòng)控制，無需將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。各種壓電驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)在智能材料結(jié)構(gòu)、減震降噪系統(tǒng)、 MEMS系統(tǒng)(微機(jī)電系統(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(dòng)作，從而改變整個(gè)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(dòng)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(duì)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(guó)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(gè)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(duì)PZN-PLZT體系進(jìn)行摻雜改性，壓電系數(shù)d33達(dá)580pC/ N，但其介電損耗非常大(tanS >4\10_2)，而通常壓電陶瓷的切115 <2X10_2。雖然在此基礎(chǔ)上采用熱壓燒結(jié)，使壓電系數(shù)C^3提高到680pC/N，但同樣沒有解決介電損耗大的問題，即使采用兩步合成、熱壓燒結(jié)的方法能獲得更高的性能，但他們的成本較高，利用率低， 這對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來說是致命的。

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，提供一種壓電系數(shù)高、并且介質(zhì)損耗小的鋅鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛(PZN-PLZT)壓電陶瓷。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)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. 25Pb (Znl73Nb273) O3-O. 75ΡΙνχΙ^χ (ZrzTi1J 03，式中 χ = 0. 03 0. 07，ζ = 0. 49 0. 57。最佳的原料組分及其摩爾百分比含量為0.25I^b(Zni/3Nb2/3) O3-O. 75ΡΙνχΙ^χ (ZrzTi1JO3,式中 χ 為 0. 05，ζ 為 0. 53。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, Lei203。所述壓電陶瓷于1230 1290°C燒結(jié)。本發(fā)明的有益效果是，以鋅鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛系統(tǒng)1 (Znl73Nb273) O3-Pb (ZrzTi1J O3 為基礎(chǔ)，采用傳統(tǒng)方法即傳統(tǒng)氧化物混合方法進(jìn)行合成、常壓燒結(jié)，通過配方和工藝的調(diào)整和改進(jìn)來制備具有較好綜合性能的0. 25PZN-0. 75PZT三元壓電陶瓷材料，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)屯3高、介質(zhì)損耗tan δ小、綜合性能好的壓電陶瓷，其中 d33 > 570pC/N、Kp 彡 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?cè)?純度彡99% )，為Pb3O4、ZnO, Nb2O5, ZrO2, TiO2,
L3-2^3 °本發(fā)明采用的制備方法為(1)配料將原料Pb3O4, ZnO, Nb2O5, ZrO2, TiO2, La2O3 按 0. 25Pb (Znl73Nb 273) O3-O. 75ΡΙνχΙ^χ (ZrzTi1JO3,式中 χ = 0. 03 0. 07，ζ = 0. 49 0. 57 的化學(xué)計(jì)量比，混合放入球磨罐中，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40目篩。⑵合成將研磨過篩后的粉料放入坩堝內(nèi)，壓實(shí)，加蓋，密封，在馬弗爐中900°C合成，保溫 2h，自然冷卻到室溫，出爐。(3)壓片將合成的料二次球磨、烘干、過篩，加入5wt% 7wt%的聚乙烯醇(PVA)進(jìn)行造粒，之后將其搗碎，在250Mpa的壓強(qiáng)下壓制成直徑12mm，厚度為1. 2mm的圓片狀坯件。(4)排膠將坯件放入馬弗爐中，200°C和350°C各保溫0. 5h，升溫速率為5°C /分鐘，至 650°C保溫lh，進(jìn)行有機(jī)物排除。(5)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，升溫速率為6°C /分鐘，在 1230 1290°C保溫2h，隨爐自然冷卻至室溫。(6)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。(7)極化將燒好銀的試樣置于硅油中加熱到110 120°C，施加3kv/mm的直流電場(chǎng)，持續(xù) 20 30min，制備成壓電陶瓷。(8)測(cè)試壓電性能極化完的壓電陶瓷片，室溫下靜置24h后測(cè)試壓電性能。具體實(shí)施例如下χ = 0. 03，ζ = O 例 1-1、1-2、1-3、1-4 ；χ = 0. 03，ζ = O 例 2-1、2-2、2-3、2-4 ；χ = 0. 03，ζ = O 例 3-1、3-2、3-3、3-4 ；χ = 0. 03，ζ = O 例 4-1、4-2、4-3、4-4 ；χ = 0. 05，ζ = O 例 5-1、5-2、5-3、5-4 ；χ = 0. 05，ζ = O 例 6-1、6-2、6-3、6-4 ；χ = 0. 05，ζ = O 例 7-1、7-2、7-3、7-4 ；χ = 0. 05，ζ = O 例 8-1、8-2、8-3、8-4 ；χ = 0. 07，ζ = O
9-2、9-3；χ = 0. 07，ζ = O
10-2、10-3；χ = 0. 07，ζ = O
11-2,11-3；χ = 0. 07，ζ = O
12-2、12-3。上述實(shí)施例的介電性能測(cè)試結(jié)果列于表1。表 1
49，燒結(jié)溫度為1230 0C，1250 0C，1270 °C，1290 °C，分別記為實(shí)施 .51,燒結(jié)溫度為1230 0C，1250 0C，1270 °C，1290 °C，分別記為實(shí)施
53，燒結(jié)溫度為1230 0C，1250 0C，1270 °C，1290 °C，分別記為實(shí)施
55，燒結(jié)溫度為1230 0C，1250 0C，1270 °C，1290 °C，分別記為實(shí)施 .51,燒結(jié)溫度為1230 0C，1250 0C，1270 °C，1290 °C，分別記為實(shí)施
53，燒結(jié)溫度為1230 0C，1250 0C，1270 °C，1290 °C，分別記為實(shí)施
55，燒結(jié)溫度為1230 0C，1250 0C，1270 °C，1290 °C，分別記為實(shí)施
57，燒結(jié)溫度為1230 0C，1250 0C，1270 °C，1290 °C，分別記為實(shí)施 .51，燒結(jié)溫度為1230°C，1250°C，1270°C，分別記為實(shí)施例9-1、 .53，燒結(jié)溫度為1230°C，1250°C，1270°C，分別記為實(shí)施例10-1, .55，燒結(jié)溫度為1230°C，1250°C，127(rC，分別記為實(shí)施例11-1、 .57燒結(jié)溫度為1230°C，1250°C，127(TC，分別記為實(shí)施例12-1,
權(quán)利要求
1.一種摻雜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. 25Pb (Znl73Nb273) O3-O. 75ΡΙνχΙ^χ (ZrzTi1J 03，式中 χ = 0. 03 0. 07，ζ = 0. 49 0. 57。
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，其最佳的原料組分及其摩爾百分比含量為0. 25Pb (Znl73Nb273) O3-O. TSPb1^xLax (ZrzTi1J O3,式中χ為 0. 05，ζ 為 0. 53。
3.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)。
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，所述原料為 Pb304、ZnO, Nb2O5, ZrO2, TiO2, Lei203。
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，所述壓電陶瓷于1230 1290°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-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其原料組分及其摩爾百分比含量為0.25Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.75Pb1-xLax(ZrzTi1-z)O3，式中x＝0.03～0.07，z＝0.49～0.57。本發(fā)明以Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-Pb(ZrzTi1-z)O3系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用傳統(tǒng)的氧化物混合方法、常壓燒結(jié)，制備出具有較好綜合性能的0.25PZN-0.75PZT三元壓電陶瓷材料，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)d33高、介質(zhì)損耗tanδ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(dòng)器、壓電變壓器、換能器，蜂鳴器等器件。
文檔編號(hào)C04B35/493GK102249674SQ20111013923
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者孫清池, 王耐清, 郇正利, 馬衛(wèi)兵 申請(qǐng)人:天津大學(xué)