CN102649643A - 铌镥酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铌镥酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷材料。通过粉末衍射，扫描电镜，介电，压电和铁电测量对其性能进行表征，确定了该三元体系的准同型相界区域。并得到了位于准同型相界区的最佳性能的组分43Pb(Lu1/2Nb1/2)O3-10PbZrO3-47PbTiO3。其压电系数到d33＝367pC/N，Tc＝360℃，机电耦合性能kp＝68％，矫顽场Ec＝17kv/cm，剩余极化Pr＝34.45μC/cm2。不仅可以满足高功率传感器及高应变驱动器等高技术应用对压电材料性能的要求，而且可以满足高功率传感器及高应变驱动器等高技术应用对压电材料的使用温度要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型压电陶瓷组合物及压电陶瓷组合物的制备方法。该种压电陶瓷组合物的化学式为(1-x-y)Pb(Lu1/2Nb1/2)O3-xPbZrO3-yPbTiO3，简记为PLuN-PZ-PT。该种材料是具有准同型相界结构且居里温度可以与PZT陶瓷相媲美的压电组合物材料。属于功能陶瓷领域。该种压电陶瓷组合物适合用作压电陶瓷滤波器，压电陶瓷振荡器，压电陶瓷振子等压电陶瓷元器件。
背景技术
铁电/压电材料由于具备优良的机电转换性能、响应速度快等优点，广泛应用于各种功能器件，如传感器、换能器、声纳、驱动器、滤波器、微扬声器等，在国民经济与国防安全中发挥着不可替代的重要作用。第二次世界大战期间，美国，日本，和前苏联科学家几乎同时发现BaTiO3压电材料，50年代B.Jaffe发现了Pb(Zr1-xTix)O3，简称PZT。PZT陶瓷材料是一种广泛用于换能器(transducer)和执行器(actuator)的传统压电材料，一直在压电应用领域中占据主导地位。该材料存在准同型相界。PZT在准同型相界处表现压电性能，PZT压电陶瓷的压电系数d33～700pC/N，机电耦合系数k33～70％。
但是PZT陶瓷烧结问题高(Ts＞1250℃)，PbO熔点较低，这导致了高温烧结PZT陶瓷，其容易偏离理想组分。另外，PZT单晶生长特别的困难，到目前为止，准同型相界区的PZT单晶的生长仍然是个无法克服的难题。还有，PZT陶瓷矫顽场相对较小，不适合大功率的传感器的使用。
鉴于以上的考虑，为了寻找一种能用于大功率且具有高居里温度的压电材料，我们开展了对(1-x-y)Pb(Lu1/2Nb1/2)O3-xPbZrO3-yPbTiO3(PLuN-PZ-PT)固溶体系的研究。研究了三元体系PLuN-PZ-PT在准同型相界区域及附近组分的制备方法、结构和电学性能，为压电领域提供一种新型且能用于大功率器件的高居里温度的压电材料。
发明内容
本发明的目的在于针对上述提出的问题寻找一种新型的铁电材料并研究其制备工艺，以解决现有高居里温度铁电单晶难生长和没有较好的适用于大功率器件的压电材料，为压电材料增加一种新产品。该材料可广泛用于压电器件领域。
本发明提供的一种新型的压电陶瓷组合物材料，其特征在于：化学组成为：(1-x-y)Pb(Lu1/2Nb1/2)O3-xPbZrO3-yPbTiO3，简写为：PLuN-PZ-PT，属于典型的钙钛矿结构。其中，x＝0.1～0.6，y＝0.4～0.5。该固溶体存在准同型相界区。本发明的内容之一就是寻找出该压电陶瓷组合物的准同型相界区域的位置以及研究准同型相界区域的压电陶瓷的相关电学性能。
本发明所述的压电组合物材料的制备方法，其制备方法包括如下具体步骤：
a)首先制备前驱体铌铁矿LuNbO4，制备方法：Lu2O3和Nb2O5按照计量比称量，然后加入酒精球磨24小时，然后在1150℃煅烧1.5小时，得到铌铁矿LuNbO4。
b)按所需组分的化学计量比称量LuNbO4，TiO2，ZrO2，PbO，其中PbO过量3％补偿其挥发。然后在酒精和氧化锆介质中球磨24小时。
c)上述的料浆经过干燥(120℃)，在800℃煅烧6小时，得到前驱体粉末。
d)上述煅烧粉末在研钵中研磨1.5小时，加入5％的PVA造粒，压片，然后以1.5℃/min升温到500℃，保温2小时，排胶。
e)排胶之后的片放在Al2O3坩埚中，加入PbTiO3气氛料中，以6～10℃/min速率升温到1170℃，保温2.5小时，得到所需的样品材料。
附图说明
图1为实施例1制备的(1-x-y)PLuN-xPZ-yPT压电陶瓷材料在室温下的X射线粉末衍射图.粉末衍射仪型号：日本理学MiniFlex ∏。
图2为实施例1制备的压电陶瓷固溶体的透射电镜照片。透射电镜型号：JSM6700。
图3为实施例1制备的(1-x-y)PLuN-xPZ-yPT压电材料极化后的介电温谱图。介电分析仪型号：德国Novolcontrol Alpha-A。
图4为实施例1制备的(1-x-y)PLuN-xPZ-yPT压电材料在不同电场下的电滞回线。铁电分析仪的型号：aix-ACCT TF2000。
图5(1-x-y)Pb(Lu1/2Nb1/2)O3-xPbZrO3-yPbTiO3三元相图及准同型相界。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细，完整的说明。
实施例1
1.按照化学计量比称量Lu2O3，Nb2O5，加入无水乙醇作为介质，行星球磨12小时，120℃干燥，在1150℃煅烧1.5小时，得到前驱体LuNbO4。
2.按通式(1-x-y)Pb(Lu1/2Nb1/2)O3-xPbZrO3-yPbTiO3，其中，x＝0.40，y分别取值为0.40，0.44，0.45，0.46，0.47，0.48，0.50。分别按照化学计量比称取LuNbO4，ZrO2，TiO2。让称取超过化学计量比3％的PbO以补偿其烧结过程中的挥发；加入无水乙醇作为介质，行星球磨24个小时。
3.出料干燥，将干燥后的混合物压片装入Al2O3坩埚中，在800℃合成6小时。
4.粉碎合成料，用无水乙醇作为介质，再次行星球磨12小时使其混合均匀。
5.出料干燥，加入粘结剂PVA(5w％)，造粒，在20MP的压力下压制成直径10mm的片，6小时升温到500℃，保温2小时，排塑。
6.进行最后的烧结。烧结过程在氧气气氛中1170℃无压烧结2.5小时，然后随炉温冷却到室温。
7.将烧结后获得的PLuN-PZ-PT陶瓷材料用Mini-FlexII衍射仪进行物相分析，得到的XRD图谱如图1所示。由图1可见所获得陶瓷材料均为纯钙钛矿结构。
8.图2为所制备的陶瓷材料的扫描电镜的照片，由图2可见，所制备的陶瓷均呈现致密的微结构。并且随着PLuN含量的增多，致密度和结晶性均有所提高。
9.图3为制备的陶瓷材料在1Hz～1MHz测试频率下的介电温谱图。从介电谱上可以看出，随着PLuN含量的增加，居里点有所降低，并且呈现出三方-四方相变的肩峰，另外，介电峰值宽化，介电曲线出现频率色散效应。这是表明，随着PLuN含量的增加，体系弛豫性能增强。介电特征表明该陶瓷是介于正常铁电体和弛豫铁电体之间的一种铁电材料。
10.图4为制备的本实施例的铁电电滞回线。由图4可见，所制备的陶瓷材料相比于PZT陶瓷材料，其在矫顽场Ec和剩余极化Pr方面均有所提高。适用于高功率的压电器件上。
实施例2
1.按照化学计量比称量Lu2O3，Nb2O5，加入无水乙醇作为介质，行星球磨12小时，120℃干燥，在1150℃煅烧1.5小时，得到前驱体LuNbO4。
2.按通式(1-x-y)Pb(Lu1/2Nb1/2)O3-xPbZrO3-yPbTiO3，其中，x＝0.25，y分别取值为0.41，0.42，0.43，0.45，0.46，0.47，0.48。分别按照化学计量比称取LuNbO4，ZrO2，TiO2。让称取超过化学计量比3％的PbO以补偿其烧结过程中的挥发；加入无水乙醇作为介质，行星球磨24个小时。
3.烧结温度设定为1100℃保温2.5小时。
3.其余同实施例1。
实施例3
1.按照化学计量比称量Lu2O3，Nb2O5，加入无水乙醇作为介质，行星球磨12小时，120℃干燥，在1150℃煅烧1.5小时，得到前驱体LuNbO4。
2.按通式(1-x-y)Pb(Lu1/2Nb1/2)O3-xPbZrO3-yPbTiO3，其中，x＝0.10，y分别取值为0.40，0.43，0.44，0.45，0.46，0.47，0.48，0.50。分别按照化学计量比称取LuNbO4，ZrO2，TiO2。让称取超过化学计量比3％的PbO；加入无水乙醇作为介质，行星球磨24个小时。
3.烧结温度设定为1020℃保温2.5小时。
3.其余同实施例1。
有必要指出的是：以上的实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.铌镥酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷材料，其特征在于：所述构成的主成分化合物由(1-x-y)Pb(Lu1/2Nb1/2)O3-xPbZrO3-yPbTiO3表示，式中，x＝0.1～0.6，y＝0.40～0.50。
2.如权利要求1所述的压电陶瓷材料，其特征在于：其存在准同型相界区，准同型相区位于y＝0.45～0.47附近；当体系组分偏向Pb(Lu1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3一侧时，准同型相界区域变宽。
3.一种权利要求1所述的压电陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)首先制备前驱体铌铁矿LuNbO4，按照计量比称量Lu2O3和Nb2O5，加入酒精研磨，然后煅烧1.5小时，得到铌铁矿LuNbO4；
(2)按所需制备的组分的化学计量比称量LuNbO4，TiO2，ZrO2，PbO，其中PbO过量3％补偿其在烧结过程中的挥发；
(3)上述混合粉末研磨，料浆经过干燥，煅烧之后，得到前驱体粉末；
(4)煅烧之后的粉末再次研磨，造粒，压片，排胶，烧结之后得到得到所需的压电陶瓷材料。
4.权利要求1所述的压电陶瓷材料用于机电换能器，激励器，电容器，驱动器，微波通讯，微波介电，滤波器，超声振荡器，能量收集器和压电蜂鸣器领域。
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