專利名稱：大功率高居里溫度壓電陶瓷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大功率高居里溫度壓電陶瓷，是一種用于壓電變壓器、超聲波電機(jī)等大功率壓電裝置的壓電陶瓷材料，屬于電子材料及元器件領(lǐng)域。
通常來說，壓電陶瓷材料很難同時(shí)滿足上述要求，即同時(shí)具有高的機(jī)械品質(zhì)因子、機(jī)電耦合系數(shù)、壓電常數(shù)。造成這種現(xiàn)象的原因在于高機(jī)械品質(zhì)因子的壓電陶瓷材料屬于“硬性”壓電陶瓷，它通常是對鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的PZT系壓電陶瓷“受主”摻雜產(chǎn)生，如K+，Na+(在A位取代)和Fe2+，Co2+Mn2+(或Fe3+，Co3+Mn3+)，Ni2+，Mg2+(在B位取代)等；而高機(jī)電耦合系數(shù)和壓電常數(shù)的壓電陶瓷材料屬于“軟性”壓電陶瓷，它通常是對PZT系壓電陶瓷“施主”摻雜產(chǎn)生，如La3+(在A位取代)和Nb5+，Sb5+，W6+(在B位取代)等，兩者很難統(tǒng)一起來。對PZT系壓電陶瓷的摻雜改性往往又降低了居里溫度。
常用的美國維尼特隆(Vernitron)公司牌號(hào)為PZT-4和PZT-8壓電陶瓷的綜合機(jī)電性能一般，居里溫度分別只有328℃和300℃。清華大學(xué)研制的錳銻鋯鈦酸鉛(PMS)三元系壓電陶瓷居里溫度也只有310℃。專利文獻(xiàn)公布的Pb(Ni1/3Nb2/3)(Zn1/3Nb2/3)TiZrO3四元系壓電陶瓷材料居里溫度不超過300℃。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案考慮到鎘鈮鋯鈦酸鉛(PCN)三元系是典型的“軟性”壓電材料，具有較高的Kp值，并且在復(fù)合鈣鈦礦氧化物中，居里溫度較高(270℃)；錳鈮鋯鈦酸鉛(PMN)三元系是典型的“硬性”壓電材料，具有較高的Qm值。本發(fā)明綜合上述兩個(gè)三元系壓電材料的特點(diǎn)，組成鎘鈮-錳鈮-鋯-鈦酸鉛(PCN-PMN-PZ-PT)四元系壓電陶瓷，并添加CeO2進(jìn)行改性。本發(fā)明的成分組成配方(摩爾百分比)為3～6％Pb(Cd1/3Nb2/3)，3～6％Pb(Mn1/3Nb2/3)，88～94％Pb(ZrTi)O3(其中Zr∶Ti＝45～50∶45～50)，以及0.1～0.3wt％CeO2。
本發(fā)明采用傳統(tǒng)的陶瓷制備工藝。所用原料分別為化學(xué)純TiO2和分析純PbO，CdO，MnCO2，Nb2O5，ZrO2，CeO2。按化學(xué)配比配料，在球磨機(jī)內(nèi)混合24小時(shí)，取出粉料在890℃下預(yù)燒3小時(shí)，預(yù)燒料經(jīng)24小時(shí)球磨后，加入5～7wt％的PVA(聚乙烯醇)，在70MPa壓力下，干壓成型，再經(jīng)等靜壓后燒成，燒成制度為1180～1240℃/2h，燒成后的樣品經(jīng)過打磨、拋光成直徑10～11mm、厚度0.5mm的圓片，被銀后在120℃的硅油中加電壓3～4KV/mm極化30min。放置24h后測其性能。采用諧振-反諧振法測樣品的諧振頻率和反諧振頻率及相應(yīng)的阻抗|Z|，再算出機(jī)電耦合系數(shù)Kp和機(jī)械品質(zhì)因子Qm，壓電常數(shù)d33由準(zhǔn)靜態(tài)法測量。
本發(fā)明的配方開辟了一種新的壓電陶瓷體系，所提供的優(yōu)化配方具有良好的綜合機(jī)電性能(Kp＞0.50，Qm＞1500，d33＞300pC/N)，顯著提高了居里溫度(Tc＞380℃)，與現(xiàn)有大功率壓電材料相比，具有較寬的工作溫度范圍和適應(yīng)性，具有實(shí)際使用價(jià)值和廣闊的商業(yè)應(yīng)用前景。


及
具體實(shí)施例方式以下通過具體的實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。
實(shí)施例1成分組成(摩爾百分比)為5％Pb(Cd1/3Nb2/3)，4％Pb(Mn1/3Nb2/3)，91％Pb(ZrTi)O3(其中Zr∶Ti＝47∶53)，外加0.3wt％CeO2。
采用傳統(tǒng)的陶瓷制備工藝得到壓電陶瓷。機(jī)電性能為Kp＝0.53，Qm＝1561，d33＝332pC/N，Tc＝388℃。該配方為優(yōu)選結(jié)果，具有較好的綜合機(jī)電性能，居里溫度超過380℃。
實(shí)施例2成分組成(摩爾百分比)為5％Pb(Cd1/3Nb2/3)，6％Pb(Mn1/3Nb2/3)，89％Pb(ZrTi)O3(其中Zr∶Ti＝47∶53)，外加0.3wt％CeO2。
所得陶瓷機(jī)電性能為Kp＝0.47，Qm＝1622，d33＝287pC/N，Tc＝377℃。該配方增加了PMN含量，進(jìn)一步提高了Qm值，但Kp，d33和Tc受到損失。
實(shí)施例3成分組成(摩爾百分比)為5％Pb(Cd1/3Nb2/3)，4％Pb(Mn1/3Nb2/3)，91％Pb(ZrTi)O3(其中Zr∶Ti＝53∶47)，外加0.3wt％CeO2。
機(jī)電性能為Kp＝0.49，Qm＝1543，d33＝306pC/N，Tc＝379℃。該配方調(diào)整了鋯鈦比，材料的綜合機(jī)電性能下降，居里溫度也下降。
實(shí)施例4成分組成(摩爾百分比)為5％Pb(Cd1/3Nb2/3)，4％Pb(Mn1/3Nb2/3)，91％Pb(ZrTi)O3(其中Zr∶Ti＝47∶53)，外加0.1wt％CeO2。
機(jī)電性能為Kp＝0.55，Qm＝1327，d33＝354pC/N，Tc＝373℃。該配方減少了CeO2的添加量，Kp，d33增大，但Qm和居里溫度減小。
圖1為實(shí)施例1～4材料的介溫譜。
權(quán)利要求
1.一種大功率高居里溫度壓電陶瓷，其特征在于成分組成配方(摩爾百分比)為3～6％Pb(Cd1/3Nb2/3)，3～6％Pb(Mn1/3Nb2/3)，88～94％Pb(ZrTi)O3(其中Zr∶Ti＝45～50∶45～50)，以及0.1～0.3wt％CeO2。
全文摘要
一種大功率高居里溫度壓電陶瓷,綜合鎘鈮鋯鈦酸鉛(PCN)三元系和錳鈮鋯鈦酸鉛(PMN)三元系的特點(diǎn),組成鎘鈮－錳鈮－鋯－鈦酸鉛(PCN－PMN－PZ－PT)四元系壓電陶瓷,并添加CeO
文檔編號(hào)H01B3/12GK1349953SQ0114261
公開日2002年5月22日 申請日期2001年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月11日
發(fā)明者陳海, 孟中巖 申請人:上海交通大學(xué)