CN116444268A - 高温极化获得的高压电性能铌锑-锆钛酸铅压电陶瓷 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温极化获得的高压电性能铌锑‑锆钛酸铅压电陶瓷。所述铌锑‑锆钛酸铅压电陶瓷的原料组分及其摩尔百分比含量为：以Pb(Sb1/2Nb1/2)aZrbTicO3为基础，外加x mol%的ZnO，其中a=0.02～0.06、b=0.47～0.53、c=0.47～0.53且a+b+c=1，x=0.2～0.8。所述铌锑‑锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法包括以下步骤：（1）配料；（2）合成；（3）细磨；（4）造粒；（5）成型；（6）排塑；（7）烧结；（8）披电极；（9）高温极化。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷化合物，尤其涉及一种高温极化获得的铌锑-锆钛酸铅压电陶瓷。
背景技术
锆钛酸铅(Pb(Zr1-xTix)O3，PZT)压电陶瓷是一类具有优异的压电常数和机电耦合系数的陶瓷材料，基于PZT压电陶瓷制作的超声换能器、水听器等在军事、信息通讯、航空航天、汽车电子、医疗设备、石油化工等多个领域具有广泛的应用。
纯的PZT(锆钛酸铅)陶瓷在高温烧结的时候，由于PbO的熔点较低，饱和蒸汽压高，易产生铅的挥发，导致其组分不易控制，性能的稳定性和重复性较差，大大限制了PZT的应用。二十世纪六十年代，出现了掺杂PZT压电陶瓷，其不仅降低了合成温度、减少了铅的挥发，而且某些性能还得到了改善。但是，尽管如此，二元的PZT仍然不能满足社会的需求。其后，人们广泛研究了三、四元系压电陶瓷，如PMN—PZT、PMN—PZT—PT、PSN—PZN—PZT、PLN—PMN—PZT等，这些新型的压电陶瓷具有较好的发展前景。
不同要求的压电陶瓷器件，对压电陶瓷材料的性能要求也不尽相同。所以，为了制造不同性能、用途的材料，需要对压电材料进行改性。目前，国内外主要采用两种方法：一种是掺杂改性，即掺杂某种杂质离子，通过对A位或B位离子进行少量置换，调整材料的性能参数，以满足压电元器件的要求；另一种是改进制备工艺，如确定最佳的煅烧温度、排胶制度、极化条件等，使得压电陶瓷某些性能得到改善，以满足压电元器件的要求。
铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷是一种压电性能优良的陶瓷材料，它具有较高的压电系数和机电耦合系数，频率稳定性和时间稳定性很好，广泛应用于滤波器、振子水声换能器、大功率驱动器、车辆番号自动读出装置、滤波器振子、高温检测高温探伤测厚等领域。但是，传统极化手段获得的铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷，压电系数和机电耦合系数仍较低，温度稳定性差。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高温极化获得的高压电性能铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷及其制备工艺，从而克服传统极化手段获得的铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷存在的压电系数和机电耦合系数低、温度稳定性差的缺陷，有效提高铌锑-锆钛酸铅(PSN-PZT)压电陶瓷的综合电学性能。
具体来说，一方面，本发明提供了一种掺杂二氧化锌的铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷，所述掺杂二氧化锌的铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷的原料组分及其摩尔百分比含量为：以Pb(Sb1/2Nb1/2)aZrbTicO3为基础，外加x mol％的ZnO，其中a＝0.02～0.06、b＝0.47～0.53、c＝0.47～0.53且a+b+c＝1，x＝0.2～0.8。
另一方面，本发明还提供了一种上述掺杂二氧化锌的铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：(1)配料；(2)合成；(3)细磨；(4)造粒；(5)成型；(6)排塑；(7)烧结；(8)披电极；(9)高温极化。
本发明选用铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷为对象进行研究，并对本***进行高温极化工艺改性，获得较为理想的压电陶瓷材料。高温极化是指在极化过程中，先将压电陶瓷样品加热至居里温度以上并施加一个稳定的电场，随后保持极化电场不变逐渐将压电陶瓷样品冷却至室温。在压电陶瓷样品从居里温度以上逐渐降温至室温的过程中，电场诱导铁电畴重新生长取向，提高铁电畴取向度，从而使压电陶瓷样品的压电系数和机电耦合系数提高。同时，高温极化也会使压电陶瓷样品中的缺陷偶极子沿极化电场方向分布，增强缺陷偶极子对畴壁的钉扎作用，使畴壁不易在外出作用下移动，提高压电陶瓷样品的温度稳定性。
较佳地，所述配料包括：以Pb(Sb1/2Nb1/2)aZrbTicO3为基础，外加x mol％的ZnO，其中a＝0.02～0.06、b＝0.47～0.53、c＝0.47～0.53且a+b+c＝1，x＝0.2～0.8，称取原料Pb3O4、Sb2O3、Nb2O5、ZrO2、TiO2和ZnO并混合均匀；将均匀混合后的原料进行球磨，所述球磨的介质为锆球和水，其中料：球：水的质量比为1：3：0.8，球磨时间为4～6h，转速为260～380r/min；将经球磨的混合原料烘干；之后，再将烘干后的混合原料放入研钵内研磨，研磨后的混合原料过筛得到筛下料备用。
较佳地，所述合成包括：将步骤(1)中得到的筛下混合原料放入坩埚内，压成块体，在马弗炉中以2～3℃/min的速率升温至800～900℃，保温合成2～4h，随炉自然冷却到室温出炉，形成粉料。
较佳地，所述细磨包括：将步骤(2)中合成的粉料研碎后进行球磨，球磨介质为锆球和水，其中料：球：水的重量比为1：4：1，球磨4～6h，转速为260～380r/min，球磨后将混合粉料烘干。
较佳地，所述造粒包括：将步骤(3)中烘干后的粉料在研钵中研细，过筛，向筛下料加入质量浓度为7％的聚乙烯醇溶液，所述聚乙烯醇溶液相对于所述筛下料的用量为0.06～0.08mL/g，充分搅拌均匀，过筛，将粉料压制成块，陈化24～48小时。
较佳地，所述成型包括：将步骤(4)中造粒后的原料研碎，过筛，将筛下粉料压成圆片状坯件。
较佳地，所述排塑包括：将步骤(5)中得到的坯件放入马弗炉中，以2～3℃/min的速率升温至650～750℃，保温2～3小时，排出有机物。
较佳地，所述烧结包括：将步骤(6)中排塑后的坯件放入坩埚中，密封，用铌锑-锆钛酸铅陶瓷粉料做埋料进行埋烧，升温速率为2～3℃/min，1220～1280℃下保温2～4h，随炉自然冷却至室温。
较佳地，所述披电极包括：将步骤(7)中烧结后的陶瓷片打磨至1～2mm厚，采用丝网印刷工艺在其上下表面涂覆银浆，置于马弗炉中，以2～3℃/min的速率升温到750～800℃，保温10～20min，自然冷却至室温。
较佳地，所述高温极化包括：将步骤(8)中披上银电极的陶瓷片接入高温极化用夹具中，再将夹具放入马弗炉中升温至极化温度，随后通过稳压源调节电压，使极化电场为100～1000V/mm，随后保持电压不变，自然冷却至室温后撤去电压，制备得到所述铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷；其中，所述极化温度＞所述披上银电极的陶瓷片的居里温度，所述极化温度优选为350～500℃，最优选为400℃。
有益效果
本发明提供了一种可以同时提升铌锑-锆钛酸铅(PSN-PZT)系压电陶瓷的电学性能和温度稳定性的工艺方法，并获得一种电学性能优异、温度稳定性良好的铌锑-锆钛酸铅(PSN-PZT)系压电陶瓷材料。
附图说明
图1为本发明中使用的高温极化装置示意图；
图2为由400℃逐渐降至室温的过程中施加50～1000V/mm的极化电场对PSN-PZT压电陶瓷的压电常数d33、机电耦合系数kp和相对介电常数εr影响的示意图；
图3为由400℃逐渐降至室温的过程中施加500V/mm电场极化和采取传统方式极化的PSN-PZT压电陶瓷样品的压电常数d33温度稳定性对比图；
图4为由400℃逐渐降至室温的过程中施加500V/mm电场极化和采取传统方式极化的PSN-PZT压电陶瓷样品的相对介电常数εr温度稳定性对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明，应理解，本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明提供了一种高温极化获得的高压电性能铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷及其制备工艺，克服了传统极化手段获得的铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷存在的压电系数和机电耦合系数低、温度稳定性差的缺陷，有效提高了铌锑-锆钛酸铅(PSN-PZT)压电陶瓷的综合电学性能。
本发明采用市售的化学纯(纯度≥99％)原料Pb3O4、Sb2O3、Nb2O5、ZrO2、TiO2和ZnO，制备掺杂二氧化锌的铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷，其原料组分及其摩尔百分比含量为：以Pb(Sb1/2Nb1/2)aZrbTicO3为基础，外加x mol％的ZnO，其中a＝0.02～0.06、b＝0.47～0.53、c＝0.47～0.53且a+b+c＝1，x＝0.2～0.8。在一些实施例中，上述压电陶瓷的具体制备方法可以采用如下步骤：配料、合成、细磨、造粒、成型、排塑、烧结、披电极、高温极化等。
(1)配料。以Pb(Sb1/2Nb1/2)aZrbTicO3为基础，外加x mol％的ZnO，其中a＝0.02～0.06、b＝0.47～0.53、c＝0.47～0.53且a+b+c＝1，x＝0.2～0.8。按上述配方，称取原料Pb3O4、Sb2O3、Nb2O5、ZrO2、TiO2和ZnO并混合均匀，将均匀混合后的原料装入尼龙罐中进行球磨。在一些实施例中，球磨介质可以为锆球和水，其中料：球：水的重量比可以为1：3：0.8，球磨时间可以为4～6h，转速可以为260～380r/min。将经球磨的混合原料置于烘箱中，120℃下烘干，之后再将烘干后的混合原料放入研钵内研磨进一步混合细化粉体，研磨后的混合原料过40目筛，得到筛下料备用。
(2)合成。将步骤(1)中得到的筛下混合原料放入坩埚内，压成底面直径约为60mm、高度约为20～30mm的圆柱块体，加盖、密封，在马弗炉中以2～3℃/min的速率升温至800～900℃，保温合成2～4h，随炉自然冷却到室温出炉，形成粉料。
(3)细磨。将步骤(2)中合成的粉料研碎后装入尼龙罐中进行球磨，球磨介质为锆球和水，其中料：球：水的重量比为1：4：1，球磨4～6h，转速为260～380r/min，球磨后，将混合粉料置于烘箱中，120℃下进行烘干。细磨后，粉体D80(80％的粉体粒径)小于1μm，为之后的造粒工艺提供较细的粉体。
(4)造粒。将步骤(3)中烘干后的粉料在研钵中研细，过60目筛后得到筛下料，向所述筛下料加入质量浓度为7％的PVA(聚乙烯醇)溶液，所述PVA溶液相对于所述筛下料的用量为0.06～0.08mL/g，充分搅拌均匀，过筛，600Mpa压力下将粉料压制成块，陈化24～48小时。
(5)成型。将步骤(4)中造粒后的原料研碎，过40目筛，将筛下粉料放入直径为13mm的不锈钢模具中，400Mpa压力下压成直径13mm的圆片状坯件。
(6)排塑。将步骤(5)中得到的坯件放入马弗炉中，以2～3℃/min的速率升温至650～750℃，保温2～3小时，排出有机物。
(7)烧结。将步骤(6)中排塑后的坯件放入坩埚中，密封，用PSN-PZT粉料做埋料进行埋烧，升温速率为2～3℃/min，1220～1280℃下保温2～4h，随炉自然冷却至室温。
(8)披电极。将步骤(7)中烧结后的陶瓷片打磨至1～2mm厚，采用丝网印刷工艺在其上下表面涂覆银浆，置于马弗炉中，以2～3℃/min的速率升温到750～800℃，保温10～20min，自然冷却至室温。
(9)高温极化。将步骤(8)中披上银电极的陶瓷片按图1所示的方法，接入高温极化用夹具中，再将夹具放入马弗炉中升温至极化温度，随后通过稳压源调节电压，使极化电场为100～1000V/mm，随后保持电压不变，自然冷却至室温后撤去电压，制备得到所述铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷；其中，所述极化温度＞所述披上银电极的陶瓷片的居里温度，所述极化温度优选为350～500℃，最优选为400℃。
对制备得到的PSN-PZT压电陶瓷进行性能测试。利用memmer高温烘箱将压电陶瓷样品设置至所需测试温度并保温30mins，之后外接E4990A阻抗分析仪测量所需的电学性能参数。其中，压电陶瓷的相对介电常数εr(无量纲)根据下式计算：
式中，C为样品的电容(F)，d为样品厚度(m)，ε0为真空介电常数(8.85×10-12F/m)，S为样品的电极面积(m2)。
样品的径向机电耦合系数kp根据IEEE标准测量，可以采用查表的方法或者通过下面的公式计算：
式中，kp为径向机电耦合系数，fr、fa分别为压电振子的径向谐振频率和反谐振频率。
本发明依据国标GB11309-89，采用中国科学院声学研究所ZJ-3A型准静态测试仪测量压电常数d33，单位为pC/N。
本发明中具体实施例的制备工艺以及相关测量参数情况详见下表1：
图2为由400℃逐渐降至室温的过程中施加50～1000V/mm的极化电场对PSN-PZT压电陶瓷的压电常数d33、机电耦合系数kp和相对介电常数εr影响的示意图。由图2可以看出，PSN-PZT压电陶瓷在高于100V/mm的极化电场下高温极化，其压电性能和介电性能相较于传统的极化方式均获得了显著的提升，且随着极化电场的提升基本保持不变。最佳性能参数在极化电场为400V/mm时取得，为d33＝562pC/N，kp＝0.671，εr＝2599，材料居里温度Tc＝350℃，相较于传统极化方式d33提升为16.6％，kp提升3.1％，相对介电常数εr提升11.8％。
图3为由400℃逐渐降至室温的过程中施加500V/mm电场极化和采取传统方式极化的PSN-PZT压电陶瓷样品的压电常数d33温度稳定性对比图；图4为由400℃逐渐降至室温的过程中施加500V/mm电场极化和采取传统方式极化的PSN-PZT压电陶瓷样品的相对介电常数εr温度稳定性对比图。由图3和图4可以看出，相较于传统极化(180℃硅油中施加3kV/mm电场)的PSN-PZT压电陶瓷，高温极化的PSN-PZT压电陶瓷具有更高的温度稳定性。
本发明制备的PSN-PZT压电陶瓷可以用于制备水声传感器、高温换能器等对压电陶瓷性能要求较高的器件。
Claims (11)
1.一种掺杂二氧化锌的铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷，其特征在于，所述掺杂二氧化锌的铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷的原料组分及其摩尔百分比含量为：以Pb(Sb1/2Nb1/2)aZrbTicO3为基础，外加x mol%的ZnO，其中a = 0.02～0.06、b =0.47～0.53、c=0.47～0.53且a + b +c = 1，x=0.2～0.8。
2.一种根据权利要求1所述的掺杂二氧化锌的铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）配料；（2）合成；（3）细磨；（4）造粒；（5）成型；（6）排塑；（7）烧结；（8）披电极；（9）高温极化。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述配料包括：以Pb(Sb1/2Nb1/2)aZrbTicO3为基础，外加x mol%的ZnO，其中a = 0.02～0.06、b =0.47～0.53、c=0.47～0.53且a + b + c = 1，x=0.2～0.8，称取原料Pb3O4、Sb2O3、Nb2O5、ZrO2、TiO2和ZnO并混合均匀；将均匀混合后的原料进行球磨，所述球磨的介质为锆球和水，其中料：球：水的质量比为1：3 ：0.8，球磨时间为4～6 h，转速为260～380 r/min；将经球磨的混合原料烘干；之后，再将烘干后的混合原料放入研钵内研磨，研磨后的混合原料过筛得到筛下料备用。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述合成包括：将步骤（1）中得到的筛下混合原料放入坩埚内，压成块体，在马弗炉中以2～3℃/min的速率升温至800～900℃，保温合成2～4h，随炉自然冷却到室温出炉，形成粉料。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述细磨包括：将步骤（2）中合成的粉料研碎后进行球磨，球磨介质为锆球和水，其中料：球 ：水的重量比为1：4 ：1，球磨4～6h，转速为260～380 r/min，球磨后将混合粉料烘干。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述造粒包括：将步骤（3）中烘干后的粉料在研钵中研细，过筛，向筛下料加入质量浓度为7％的聚乙烯醇溶液，所述聚乙烯醇溶液相对于所述筛下料的用量为0.06～0.08 mL/g，充分搅拌均匀，过筛，将粉料压制成块，陈化24～48小时。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述成型包括：将步骤（4）中造粒后的原料研碎，过筛，将筛下粉料压成圆片状坯件。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述排塑包括：将步骤（5）中得到的坯件放入马弗炉中，以2～3℃/min的速率升温至650～750℃，保温2～3小时，排出有机物。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烧结包括：将步骤（6）中排塑后的坯件放入坩埚中，密封，用铌锑-锆钛酸铅陶瓷粉料做埋料进行埋烧，升温速率为2～3℃/min，1220～1280℃下保温2～4h，随炉自然冷却至室温。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述披电极包括：将步骤 （7）中烧结后的陶瓷片打磨至1～2mm厚，采用丝网印刷工艺在其上下表面涂覆银浆，置于马弗炉中，以2～3℃/min的速率升温到750～800℃，保温10～20min，自然冷却至室温。
11.根据权利要求2至10中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述高温极化包括：将步骤（8）中披上银电极的陶瓷片接入高温极化用夹具中，再将夹具放入马弗炉中升温至极化温度，随后通过稳压源调节电压，使极化电场为100～1000 V/mm，随后保持电压不变，自然冷却至室温后撤去电压，制备得到所述铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷；其中，所述极化温度＞所述披上银电极的陶瓷片的居里温度，所述极化温度优选为350～500℃，最优选为400℃。
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Citations (3)
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| JPH07202291A (ja) * | 1993-12-29 | 1995-08-04 | Tdk Corp | 圧電セラミックスの製造方法 |
| JP2016199433A (ja) * | 2015-04-10 | 2016-12-01 | Tdk株式会社 | 圧電磁器および圧電素子 |
| CN109503158A (zh) * | 2018-12-17 | 2019-03-22 | 贵州振华红云电子有限公司 | 一种耐温度冲击的压电陶瓷材料及其制备方法 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07202291A (ja) * | 1993-12-29 | 1995-08-04 | Tdk Corp | 圧電セラミックスの製造方法 |
| JP2016199433A (ja) * | 2015-04-10 | 2016-12-01 | Tdk株式会社 | 圧電磁器および圧電素子 |
| CN109503158A (zh) * | 2018-12-17 | 2019-03-22 | 贵州振华红云电子有限公司 | 一种耐温度冲击的压电陶瓷材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| WANG YUNQI ET AL.: "Effects of ZnO Addition on the Sintering Temperature and Piezoelectric Properties of PSN-PZT Ceramic", 压电与声光, vol. 33, no. 4, pages 153 * |
| ZHENGRAN CHEN ET AL.: "High-performance and high-thermally stable PSN-PZT piezoelectric ceramics achieved by high-temperature poling", JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE & TECHNOLOGY, vol. 116 * |
| 张伟等: "制备工艺对铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷性能的影响", 硅酸盐学报, vol. 37, no. 2 * |
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