CN1986486A - 一种高性能b超换能器用压电陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高性能B超换能器用压电陶瓷材料及其制备方法，属压电陶瓷领域。其特征在于：材料的基本化学组成为：Pb1－m－nSrmBan(Nb2/3Mg1/3)x(Nb2/3Zn1/3)0.25－xZryTizO3＋amolSiO2＋bmolSb2O3，其中，m+n＝0～0.20；x＝0.0～0.25；y＝0.20～0.40；z＝0.20～0.4；x+y+z＝1；a＝0.0～0.5；b＝0.0～0.5。本发明采用铌锌、铌镁和锆钛酸铅组成四元系压电陶瓷，在A位用Sr和Ba复合置换部分铅，并通过添加合适的添加物，采用传统固相反应法，获得了一种压电常数d33＝780pC/N，ε33 T/εo＝3800，tanδ＝1.36，Kp＝0.75，Qm＝55的高性能压电陶瓷材料。利用这种材料制得的陶瓷元件，组装成压电换能器，可以在医疗超声成像检测等方面获得广泛应用。

Description

一种高性能B超换能器用压电陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高性能B超换能器用压电陶瓷材料及其制备方法，属陶瓷组成与制备领域。
背景技术
早在二十世纪八十年代，科技人员就已将电子技术、声纳技术和医学相结合，使医学的超声诊断技术进入超声诊断图象化的时代。这种超声诊断图像技术能以实时方式观察人体内部器官的运动过程，用于诊断肝、胆、肾、子宫和肿瘤等器官的病变。压电陶瓷晶片是超声诊断仪探头的关键材料，其性能的好坏直接影响到超声诊断仪探头的灵敏度和分辨率等。从临床医学诊断可知，为了探查深部组织的病变，要分清声阻抗差异、较小的软组织和强烈吸收声波的骨骼等组织，这就要求换能器有较高的灵敏度；同时为了显示同一深度上相邻的各个细小的组织，要求换能器有较高的横向分辨率。目前，市场上的超声诊断仪大多有分辨率不高、灵敏度相对较低的缺点，导致图象不够清晰，且亮度偏暗，这主要是因为缺少高性能的压电陶瓷材料。现代医学，以及微电子、计算机技术的迅速发展推动了超声诊断仪不断地更新换代、向高端产品发展，以满足人们的使用要求。相应地，对超声诊断仪探头用压电陶瓷材料的性能也提出了更高的要求：(1)机电耦合系数高(Kp≥0.70)，使得机电转换效率高；(2)压电系数大(d33≥700)，有利于获得高的灵敏度；(3)机械品质因数低(Qm≤60)有利于获得好的分辨率。为了满足实际应用提出的更高要求，我们对压电陶瓷材料进行更加深入的研究。本发明正是基于上述医用超声诊断仪的高端要求，通过优化配方设计，添加合适的微量元素，改进工艺，从而得到一种满足高档医用超声诊断仪使用要求的高性能压电陶瓷材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能B超换能器用压电陶瓷材料及其制备方法，其压电常数d33＝780pC/N，ε33 T/εo＝3800，tanδ＝1.36，Kp＝0.75，Qm＝55。利用这种材料制得的陶瓷元件，组装成压电超声诊断仪探头，可以获得很高的灵敏度和分辨率，满足高档医用超声诊断仪的使用要求。
具体制备方法是：以Pb3O4(工业纯)、TiO2(电容器规格)、ZrO2(工业纯)、SrCO3(工业纯)、BaCO3(工业纯)、MgCO3(工业纯)、ZnCO3(化学纯)、Nb2O5(工业纯)、Sb2O3(化学纯)、SiO2(化学纯)为原料，按Pb1-m-nSrmBan(Nb2/3Mg1/3)x(Nb2/3Zn1/3)0.25-xZryTizO3+amolSiO2+bmolSb2O3的化学计量称量，其中，m+n＝0～0.20；x＝0.0～0.25；y＝0.20～0.40；z＝0.20～0.4；x+y+z＝1；a＝0.0～0.5；b＝0.0～0.5。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150～200MPa)、排塑(800℃/1小时)、烧结(1200～1350℃/1～3小时)、冷加工、超声清洗、上电极、极化(20～140℃，1.5～5kV/mm，5～20分钟)等工序，最后进行性能测试，即可得到供使用的压电陶瓷元件。
本发明的效果是：获得了一种压电常数d33＝780pC/N，ε33 T/εo＝3800，tanδ＝1.36，Kp＝0.75，Qm＝55的高性能压电陶瓷材料。表1为本发明与现有技术比较。
表1
材料来源 材料名称                       性能
d33(pC/N) ε33 T/εo tanδ(％) Kp Qm
本发明 Sm-38   780  3800   1.36 0.75 55
美国EDO EC-76   583  3450   2.0 0.64 65
APCI Materials 856   620  4100   2.7 0.65 72
香港功能陶瓷有限公司 PMgN-51   500  3800   1.80 0.63 70
美国Morgan Matroc公司 PZT-5H   593  3400   2.5 0.65 65
杭州瑞利 P-53   ≥640  3400   ≤2 ≥0.62 ≤100
附图说明
无
具体实施方式
本发明的实施例如下：
以Pb3O4(工业纯)、TiO2(电容器规格)、ZrO2(工业纯)、SrCO3(工业纯)、BaCO3(工业纯)、MgCO3(工业纯)、ZnCO3(化学纯)、Nb2O5(工业纯)、Sb2O3(化学纯)、SiO2(化学纯)为原料，按Pb1-m-nSrmBan(Nb2/3Mg1/3)x(Nb2/3Zn1/3)0.25-xZryTizO3+amolSiO2+bmol Sb2O3的化学计量称量，当m＝0.02，n＝0.05，a＝0.04，b＝0.06，x＝0.25、0.23、0.20、0.25、0.23、0.20、y＝0.38、0.38、0.38、0.385、0.385、0.385、z＝0.37、0.37、0.37、0.365、0.365、0.365时依次分别进行配料，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150～200MPa)、排塑(800℃/1小时)、烧结(1200～1350℃/1～3小时)、冷加工、超声清洗、上电极、极化(20～140℃，1.5～5kv/mm，5～20分钟)等工序，最后进行性能测试，即可得到供使用的压电陶瓷元件。
表2列出了本实施例的配方及结果。
表2
序号 Ph0.93Sr0.02Ba0.05(Nb2/3Mg1·3)x-(Nb2/3Zn1/3)0.25-xZryTizO3+0.04SiO2+0.06Sb2O3 性能
    x     y     z d33(pC/N) ε33 T/εo tanδ(％)  Kp  Qm
1     0.25     0.38     0.37     595 3100 1.45  0.64  70
2     0.23     0.38     0.37     670 3400 1.38  0.67  65
3     0.20     0.38     0.37     780 3800 1.36  0.75  55
4     0.25     0.385     0.365     650 3300 1.67  0.68  64
5     0.23     0.385     0.365     700 3600 1.70  0.70  60
6     0.20     0.385     0.365     680 3450 1.85  0.67  62

Claims (5)

1、一种高性能B超换能器用压电陶瓷材料，其特征在于化学式为：Pb1-m-nSrmBan(Nb2/3Mg1/3)x(Nb2/3Zn1/3)0.25-xZryTizO3+amolSiO2+bmolSb2O3其中，m+n＝0～0.20；x＝0.0～0.25；y＝0.20～0.40；z＝0.20～0.4；x+y+z＝1；a＝0.0～0.5；b＝0.0～0.5。
2、按权利要求1所述的一种高性能B超换能器用压电陶瓷材料，其特征在于A位用Sr和Ba复合置换部分的铅。
3、按权利要求1所述的一种高性能B超换能器用压电陶瓷材料，其特征在于所述的添加物为SiO2、Sb2O3中的一种或两种复合。
4、按权利要求1-3之一所述的一种高性能B超换能器用压电陶瓷材料的制备方法，包括组成配方以及合成、烧结、极化等工艺，其特征在于：
(1)采用敞开压块合成；
(2)烧结温度为1200-1350℃，保温1-3小时；
(3)极化条件：温度20-140℃，电压1.5-5kV/mm，时间5-20分钟。
5、按权利要求4之一所述的一种高性能B超换能器用压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述的敞开压块合成条件为850℃热压合成2小时。
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