本發(fā)明屬于壓電陶瓷，具體來說涉及一種bnt摻雜大功率三元系鉛基pmns-pzt的壓電陶瓷材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、數(shù)年來，壓電陶瓷材料由于其獨(dú)特的性能，即電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化，在機(jī)電元器件中廣泛應(yīng)用，是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展不可或缺的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的電磁材料相比，壓電陶瓷材料具有靈敏度高、精確性好、響應(yīng)速度快、小型化和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。典型的應(yīng)用包括水下?lián)Q能器、超聲波焊機(jī)、數(shù)碼相機(jī)中的自動(dòng)對(duì)焦模塊和高精度設(shè)備中的定位裝置等。

2、不同的壓電器件對(duì)壓電陶瓷有不同的壓電性能要求。根據(jù)工作頻率，壓電應(yīng)用可分為諧振和非諧振兩類。諧振位移是由壓電系數(shù) d33和機(jī)械品質(zhì)因子 qm的乘積提供的，因此對(duì)于大功率壓電水聲換能器和變壓器等諧振應(yīng)用壓電器件來說，高水平的 d33和 qm至關(guān)重要。然而它們幾乎成反比，開發(fā)同時(shí)具有高 d33和 qm的壓電陶瓷材料仍然具有挑戰(zhàn)性。

3、軟性pzt陶瓷（pzt-5）具有相對(duì)較高的 d33，但其 qm較低，硬性pzt（pzt-8）則與其相反；商用pzt-4陶瓷的 d33和 qm得到了適度的協(xié)調(diào)，但其壓電系數(shù)和機(jī)械品質(zhì)因子仍然不夠高（ d33≈300?pc/n， qm≈500）。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供了一種bnt摻雜大功率三元系鉛基pmns-pzt的壓電陶瓷材料，其利用bi（ni1/2ti1/2）o3（簡(jiǎn)稱bnt）對(duì)大功率三元系鉛基pb(mn1/3sb2/3)o3-pb(zr0.48ti0.52)o3（簡(jiǎn)稱pmns-pzt）進(jìn)行摻雜，通過改變?nèi)齻€(gè)組元（bnt、pmns和pzt）的不同比例調(diào)節(jié)壓電陶瓷材料的壓電性能。

2、本發(fā)明的另一目的在于提供上述bnt摻雜大功率三元系鉛基pmns-pzt的壓電陶瓷材料的制備方法，該制備方法獲得的壓電陶瓷材料有效解決現(xiàn)有壓電陶瓷材料難以兼具高壓電性能、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)以及良好溫度穩(wěn)定性的技術(shù)問題。

3、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的。

4、一種bnt摻雜大功率三元系鉛基pmns-pzt的壓電陶瓷材料，為bnt和pmns-pzt的固溶體，其中，按物質(zhì)的量份數(shù)計(jì)，bnt和pmns-pzt的比為 x：(1- x)，0.02≤x≤0.04；pmns-pzt為pmns和pzt的固溶體，按物質(zhì)的量份數(shù)計(jì)，pmns-pzt中pmns和pzt的比為 y：(1- y)，0.05≤ y≤0.07，bnt為bi(ni1/2ti1/2)o3，pmns為pb(mn1/3sb2/3)o3，pzt為pb(zr0.48ti0.52)o3。

5、上述壓電陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟：

6、步驟1），將pb源、mn源、sb源、zr源、ti源、bi源和ni源混合，得到混合原料，將混合原料球磨，過篩，于850~950℃預(yù)燒2~4小時(shí)，得到預(yù)燒結(jié)粉末，其中，按物質(zhì)的量份數(shù)計(jì)，所述pb源中pb、mn源中mn、sb源中sb、zr源中zr、ti源中ti、bi源中bi和ni源中ni的比為(1- x)：：：0.48(1- y)(1- x)：： x：；

7、在步驟1）中，所述pb源為pb3o4，mn源為mnco3，sb源為sb2o3，zr源為zro2，ti源為tio2，bi源為bi2o3，ni源為ni2o3。

8、步驟2），將預(yù)燒結(jié)粉末進(jìn)行二次球磨，過篩，得到二次球磨粉末；

9、在步驟1）和步驟2）中，所述球磨的時(shí)間為20~30小時(shí)，球磨的轉(zhuǎn)速為350~450?r/min。

10、在步驟1）和步驟2）中，所述球磨包括先后依次進(jìn)行的濕式球磨法和干燥，所述干燥的溫度為60~80℃，干燥的時(shí)間為4~6小時(shí)。

11、步驟3），將二次球磨粉末造粒，過篩，壓片，得到陶瓷生坯片；

12、在步驟3）中，所述造粒的粘合劑為聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的濃度為5~8wt%。

13、在上述技術(shù)方案中，所述聚乙烯醇水溶液為二次球磨粉末的1~5wt%。

14、在步驟3）中，所述陶瓷生坯片的直徑為8~10mm，厚度為0.8~1mm。

15、在步驟3）中，所述壓片的壓力為6~8?mpa，所述壓片的時(shí)間為3~5min。

16、在步驟1）、步驟2）和步驟3）中，所述過篩的篩網(wǎng)孔徑為60~80目。

17、步驟4），將陶瓷生坯片排膠，于1200~1250℃燒結(jié)1~3小時(shí)，得到壓電陶瓷片，將壓電陶瓷片先后依次涂覆電極、電極燒結(jié)和硅油中極化，得到壓電陶瓷材料。

18、在步驟4）中，所述排膠的溫度為800~850℃，排膠的時(shí)間為2~4小時(shí)。

19、在步驟4）中，涂覆電極為將壓電陶瓷片雙面涂覆電極，電極為高溫銀漿。

20、在步驟4）中，所述電極燒結(jié)的升溫速率為2~5℃/min。

21、在步驟4）中，所述電極燒結(jié)的溫度為600~650℃，電極燒結(jié)的時(shí)間為20~40分鐘。

22、在步驟4）中，所述硅油中極化的溫度為120~140℃，硅油中極化的場(chǎng)強(qiáng)為3~4kv/mm，硅油中極化的時(shí)間為30~60分鐘。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

24、1、本發(fā)明的壓電陶瓷材料選用bnt作為第三元固溶體，起到了軟性摻雜和硬性摻雜的作用，通過引入第三元固溶體bnt使本發(fā)明壓電陶瓷材料的壓電系數(shù)和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)均得到了改善，獲得了高水平的 d33和 qm值，有效削弱了二者的相互制約關(guān)系，同時(shí)改善了介電損耗。本發(fā)明的壓電陶瓷材料具有優(yōu)異的壓電性能、較低的損耗以及良好的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。

25、2、本發(fā)明制備的壓電陶瓷材料室溫介電常數(shù)為1544~1987，室溫介電損耗為0.30%~0.39%，最大極化強(qiáng)度約為30.20~36.32μc/cm2，在5?kv/mm的電場(chǎng)下的應(yīng)變值約為0.177%~0.233%，壓電系數(shù)約為324~384pc/n，平面機(jī)電耦合系數(shù)為0.608~0.633，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)為1411~1680。本發(fā)明壓電陶瓷材料應(yīng)變值在20~200℃溫度范圍內(nèi)的應(yīng)變變化率為8.8%。

26、3、本發(fā)明壓電陶瓷材料的溫度穩(wěn)定性相比其他鉛基壓電陶瓷有所提升。

27、4、本發(fā)明的制備方法采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法，該制備方法操作簡(jiǎn)單，成本較低。