CN1781874A - 一种低介电损耗压电陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种低介电损耗压电陶瓷材料及其制备方法，属于压电陶瓷领域。其特征在于材料的组成为Pb1－xMex(ZryTi1－y)O3+zmol％添加物，x＝0.0～0.10，Me＝Sr或Ba或Sr和Ba的组合物；y＝0.50～0.54；z＝0.01～2，添加物为MnO2、CaFeO3、BiFeO3和Li2O中的一种或几种复合。本发明采用常规固相反应方法，获得了一种介电损耗tgδ＝0.10％(小信号下测)，tgδ＝0.54％(400v/mm强场下测)，机械品质因数Qm＞1900，压电常数d33＝220pC/N的大功率压电陶瓷材料。利用这种材料制得的陶瓷元件，组装成各种压电换能器，可以在压电马达、压电驱动器、压电式振动给料器、各类压电变压器、大功率超声焊接和超声清洗等方面获得广泛应用。

Description

一种低介电损耗压电陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低介电损耗压电陶瓷材料及其制备方法，属压电陶瓷领域。
背景技术
随着现代科学技术的发展，功率型压电陶瓷的应用日益广泛。如近年来迅速发展的压电马达、压电驱动器、压电式振动给料器、各类压电变压器、大功率超声焊接和超声清洗以及应用于国防的水声换能器等，都是以高性能大功率压电陶瓷材料为基础的，这些应用对压电陶瓷材料提出了更高的要求：(1)较高的机电耦合系数K及高机械品质因数Qm；(2)低的电损耗和机械损耗；(3)能承受大的电功率，并具有优良的性能稳定性。目前国内有的压电陶瓷材料机械品质因数Qm已达到2000以上，但其介电损耗还是比较高，tgδ＞0.20％。有的压电陶瓷材料介电损耗比较低，但其机械品质因数Qm大多在1000以下。在大功率下，陶瓷会发热，性能降低，甚至失效，这要求介电损耗非常低，才能保证陶瓷换能器的长期稳定使用。目前国内还没有机械品质因数Qm＞1500，但同时其介电损耗tgδ＜0.14％的压电陶瓷材料。为了满足实际应用提出的更高要求，我们对材料进行更加深入的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机械品质因数Qm＞1500，但同时其介电损耗tgδ＜0.10％的压电陶瓷材料。
具体制备方法是：以Pb3O4、TiO2、ZrO2、SrCO3、BaCO3、MnCO3、Fe2O3、Bi2O3为原料，按Pb1-xMex(ZryTi1-y)O3+zmol％添加物的化学计量称量，用去离子水作为介质，经球磨混合6～8小时，然后700～900℃，1～4小时压块合成，再经球磨细磨、烘干、加粘结剂、成型(成型压力为150～200MPa)、排塑(600～900℃，0.5～3小时)、烧结(1200～1350℃/1～3小时)、冷加工、超声清洗、上电极、极化(80～140℃，3～5kv/mm，10～20分钟)、最后进行性能测试，即可得到供使用的压电陶瓷元件。
本发明的效果在于获得了一种介电损耗tgδ＝0.10％(小信号下测)，tgδ＝0.54％(400v/mm强场下测)，机械品质因数Qm＞1900，压电常数d33＝220pC/N的大功率压电陶瓷材料。
附图说明
具体实施方式
下面以具体实施例说明本发明，但不仅局限于实施例。
以Pb3O4(工业纯)、TiO2(电容器规格)、ZrO2(工业纯)、SrCO3(工业纯)、BaCO3(工业纯)、MnCO3(工业纯)、Fe2O3(化学纯)、Bi2O3(化学纯)为原料，按Pb1-xMex(ZryTi1-y)O3+zmol％添加物的化学计量称量，这里取Me为Sr，添加物为MnO2，当x＝0.06，0.05，0.005，0.05，0.05，0.05，y＝0.53，0.53，0.52，0.52，0.52，0.52，z＝0.0，1.0，0.0，0.8，1.0，1.2分别进行配料，用去离子水作为介质，经球磨混合6～8小时，然后850℃/2小时压块合成，再经球磨细磨、烘干、加粘结剂、成型(成型压力为180MPa)、排塑(800℃/1小时)、烧结1250℃/2小时)、冷加工、超声清洗、上电极、极化120℃，4kv/mm，15分钟)、最后进行性能测试，即可得到供使用的压电陶瓷元件。本发明与现有技术比较可见表1，本实施例的配方及结果可见表2。
                                表1
  材料来源   材料名称   性能
  d33(PC/N)   ε33 T/εo  tanδ(％)   Kp   Qm
  本发明   PSC   220   1085   0.10   0.49   1975
  Ceram Tec公司   SonoxP8   240   1000   0.20   0.55   1000
  香港功能陶瓷有限公司   P81   220   1000   0.50   0.53   800
  a   F2-PZT   240   1100   0.23   0.52   1010
  b   216   0.14   2341
a.李全禄.大功率声电转换材料的研究及其应用.声学技术，17卷1期(1998)：P26
b.秦天，李龙土，桂治轮  低损耗、高Qm值Pb(Nb2/3Mn1/3)O3-Pb(Pb2/3Mn1/3)O3-PZT材料  压电与声光，Vol.23 No.4 Aug.2001：P296
                                       表2
  序号   Pb1-xMex(ZryTi1-y)O3+zmol％添加物   性能
  x   y   Z   d33(PC/N)   ε33 T/εo   tanδ(％)   Kp   Qm
  1   0.06   0.53   0.0   260   1200   0.30   0.57   800
  2   0.05   0.53   1.0   240   1000   0.25   0.52   1100
  3   0.005   0.52   0.0   240   1100   0.40   0.58   200
  4   0.05   0.52   0.8   220   1085   0.10   0.49   1975
  5   0.05   0.52   1.0   230   1110   0.09   0.50   1730
  6   0.05   0.52   1.2   235   1115   0.09   0.51   1460

Claims (5)

1、一种低介电损耗压电陶瓷材料，其特征在于其组成为Pb1-xMex(ZryTi1-y)O3+zmol％添加物，其中x＝0.0～0.10；y＝0.50～0.54；z＝0.01～2。
2、按权利要求1一种低介电损耗压电陶瓷材料，其特征在于所述的Me为Sr或Ba或Sr和Ba的复合。
3、按权利要求1一种低介电损耗压电陶瓷材料，其特征在于所述的添加物为MnO2、CaFeO3、BiFeO3和Li2O中的一种或几种复合。
4、按权利要求1或2或3所述的一种低介电损耗压电陶瓷材料的制备方法，包括合成、烧结、极化等工艺步骤，其特征在于：
(1)合成步骤为700～900℃，1～4小时压块合成；
(2)极化条件为温度80～140℃，电压3～5KV/mm，时间10～20分钟。
5、按权利要求4所述的一种低介电损耗压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述的烧结步骤工艺条件为温度为1200～1350℃，保温1～3小时。
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