專利名稱：摻雜二氧化鈰的鈮銻-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是關于以成分為特征的陶瓷組合物，尤其涉及一種外加二氧化鈰(CeO2)的鐵電鈮銻-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料。
背景技術：
壓電陶瓷是一種能將機械能和電能相互轉化的功能陶瓷，屬于無機非金屬材料范疇。壓電陶瓷材料由于具有優(yōu)異的介電性和壓電性能，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領域及工業(yè)生產(chǎn)中都得到了廣泛應用。純的PZT (鋯鈦酸鉛)陶瓷高溫燒結的時候由于PbO的熔點較低，飽和蒸汽壓高， 易產(chǎn)生鉛的揮發(fā)，組分不易控制性能的穩(wěn)定性和重復性較差，這就限制了 PZT的應用。二十世紀六十年代，出現(xiàn)了摻雜PZT壓電陶瓷，不僅降低了合成溫度減少了鉛的揮發(fā)，而且某些性能還得到了改善。但是盡管這樣二元的PZT已經(jīng)遠遠不能滿足社會的需求，這就促進了對新型壓電材料研究，人們廣泛研究了三、四元系壓電陶瓷，如PMN-PZT、PMN-PZT-PT, PSN-PZN-PZT、PLN-PMN-PZT等，這些新型的壓電陶瓷具有較高的發(fā)展前景。在實際元器件中，不同的應用對壓電陶瓷材料的性能參數(shù)要求不同，這就迫使人們對壓電陶瓷材料進行相應的性能改進。目前，國內外主要采用兩種方法一種是摻雜改性，即摻雜某種雜質離子，通過對A位或B位離子進行少量置換，調整材料的性能參數(shù)，以滿足壓電元器件的要求；另一種是改進制備工藝，如確定最佳的煅燒溫度、排膠制度、極化條件等，使得壓電陶瓷某些性能得到改善，以滿足壓電元器件的要求。鈮銻-鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是一種壓電性能優(yōu)良的陶瓷材料，它具有較高的壓電系數(shù)和機電耦合系數(shù)，頻率穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性很好，能應用于制作濾波器，振子水聲換能器，大功率驅動器，車輛番號自動讀出裝置、濾波器振子、高溫檢測高溫探傷測厚等。但是不加改性摻雜物的鈮銻-鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷機電耦合系數(shù)較小，本發(fā)明選用鈮銻-鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷為對象進行研究，并對本系統(tǒng)進行氧化鈰摻雜改性，獲得較為理想的壓電陶瓷材料。鈰(Ce)離子是典型的變價離子，多以CeO2的形式引入。從離子半徑大小考慮，變價的Ce離子半徑介于Zr、Ti離子半徑與Pb離子的半徑之間，因此Ce既可以取代A位的 Pb，也可以取代B位的Zr、Ti，適量的摻雜既可起到“軟性”摻雜特點，能有效地提高機電耦合系數(shù)及壓電系數(shù)；又可起到“硬性”摻雜特點，即可以提高材料的機械品質因數(shù)，降低材料的介電損耗，提高壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性。

發(fā)明內容
本發(fā)明采用傳統(tǒng)的固相合成的制備方法，提供一種以鈮銻-鋯鈦酸鉛(PSN-PZT) 為基體、摻雜二氧化鈰、取得綜合電學性能更好的壓電陶瓷。本發(fā)明通過以下技術方案予以實現(xiàn)摻雜二氧化鈰的鈮銻-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其原料組分及其質量百分比含量為 以 Pba93Batl Q7(NbljZ2Sbv2)ci Q6 (Zr。52TiQ 48)Q 9403 為基石出，外加 O. I 5. Owt. % CeO2。
所述壓電陶瓷是單一的鈣鈦礦結構。所述原料為Pb304、BaCO3> ZrO2, TiO2, Nb2O5, Sb2O3 和 CeO2。所述壓電陶瓷采用傳統(tǒng)的固相合成的制備方法，于1220°C 1280°C燒結，保溫 2h。本發(fā)明的有益效果是，提供了一種綜合電學性能良好的摻雜二氧化鈰的鈮銻-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其成分及工藝步驟簡單、易于操作、重復性好、成品率高。


圖I :本發(fā)明在1260°C、1280°C燒結保溫2h，CeO2摻雜量對PSN-PZT壓電系數(shù)d33 的影響。圖2 :本發(fā)明在1260°〇、12801燒結保溫211，0602摻雜量對？5^ 21'機電耦合系數(shù) Kp的影響。圖3 :本發(fā)明在1260°C、1280°C燒結保溫2h，Ce02摻雜量對？3^ 21'介電常數(shù)4/% 的影響。圖4 :本發(fā)明在1260°C、1280°C燒結保溫2h，CeO2摻雜量對PSN-PZT介電損耗 tan δ的影響。
具體實施例方式本發(fā)明采用市售的化學純原料(純度彡99% )，為Pb3O4、BaCO3、Zr02、Ti O2、Nb2O5、 Sb2O3 和 CeO2。本發(fā)明摻雜二氧化鈰的鈮銻-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的具體制備方法如下⑴配料以Pba93Baa07(Nbv2SbliZ2)a06(Zra52Tia48)ci94O3 為基礎，外加 xwt. % CeO2,其中 x =
O.I 5.0，按上述配方，取 X = I. 0、2· 0、3· 0、4· 0、5· 0，稱取原料 Pb304、BaCO3> ZrO2, TiO2, Nb205、Sb203和CeO2，進行混合，裝入尼龍罐中，球磨介質為水和瑪瑙球，球料水的重量比為2 : I : O. 5，球磨4h，轉速為750轉/分，將混合料放入烘箱內90°C烘干，再放入研缽內研磨，過60目篩。⑵預燒將步驟(I)研磨過篩后的粉料放入坩堝內，用瑪瑙棒壓實，加蓋，密封，在馬弗爐中以7°C /min速率升溫到900°C保溫2h，自然冷卻到室溫出爐。(3) 二次球磨將步驟(2)烘干的粉料在研缽中研磨，過60目篩，裝入球磨罐，加入適量的水，球磨4h，轉速為750轉/分，然后將粉料放入烘箱90°C烘干。(4)造粒將步驟(3)烘干的粉料在研缽中研細，過篩，加入重量濃度為5% 10%的 PVA(聚乙烯醇)，充分攪拌，過篩，將粉料放入直徑為35mm的不銹鋼模具內，在100 120Mpa壓力下壓成圓柱狀還件。(5)成型將步驟(4)造粒后的圓柱狀坯件靜置24h，研碎、過60m篩，再將粉料放入直徑為12mm的不銹鋼模具中，在400Mpa壓力下壓成圓柱狀坯件。(6)排膠將步驟(5)坯件放入馬弗爐中，以3°C /min的速率將坯體升溫至200°C，再以
I.5°C /min速率從200°C升至400°C，在400°C保溫30min后，以5°C /min的速率升至650°C 并保溫lOmin，排出有機物。(7)燒結將步驟(6)排膠出有機物坯件放入坩堝中，密封，用PSN-PZT粉料做埋料埋燒，升溫速度為7V /min，分別在1260°C、1280°C保溫2h，隨爐自然冷卻至室溫。(8)燒電極將步驟(7)燒結好的陶瓷片打磨至Imm厚，自然晾干，采用絲網(wǎng)印刷工藝在其上下表面涂覆銀漿，置于馬弗爐中7V Mn升溫到735°C保溫lOmin，自然冷卻至室溫。(9)測試介電性能。本發(fā)明具體實施例詳見表I。表I
權利要求
1.一種摻雜二氧化鈰的鈮銻-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其原料組分及其質量百分比含量為:以 Pba93Baa07(Nbv2Sbv2)a06(Zra52Tia48)a94O3 為基石出，外加 xwt. % CeO2,其中 x =O.I 5. O。
2.根據(jù)權利要求I的摻雜二氧化鈰的鈮銻-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構。
3.根據(jù)權利要求I的摻雜二氧化鈰的鈮銻-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在于，所述原料為 Pb3O4' BaCO3λ ZrO2 λ Ti02、Nb2O5' Sb2O3 和 CeO2。
4.根據(jù)權利要求I的摻雜二氧化鈰的鈮銻-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在于，所述壓電陶瓷釆用傳統(tǒng)的固相合成的制備方法，于1220°C 1280°C燒結，保溫2h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種外加二氧化鈰的鈮銻鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料，其組分及其質量百分比含量為Pb0.93Ba0.07(Nb1/2Sb1/2)0.06(Zr0.52Ti0.48)0.94O3+xwt.％CeO2，其中x＝0.1～5.0。燒結溫度為1220℃～1280℃，保溫2h。本發(fā)明采用傳統(tǒng)的固相合成制備方法，提供了一種綜合電學性能良好的鈮銻鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其成分及步驟簡單、易于操作、重復性好、成品率高。本發(fā)明所得的壓電陶瓷非常適用于制備大功率驅動器、高溫檢測器件等對壓電陶瓷綜合性能有較高要求的器件。
文檔編號C04B35/49GK102584228SQ20121001084
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月14日 優(yōu)先權日2012年1月14日
發(fā)明者劉志華, 吳濤, 孫清池, 李建平, 馬衛(wèi)兵 申請人:天津大學