专利名称：掺杂二氧化铈的铌锑-锆钛酸铅压电陶瓷的制作方法
技术领域：
本发明是关于以成分为特征的陶瓷组合物，尤其涉及一种外加二氧化铈(CeO2)的铁电铌锑-锆钛酸铅压电陶瓷材料。
背景技术：
压电陶瓷是一种能将机械能和电能相互转化的功能陶瓷，属于无机非金属材料范畴。压电陶瓷材料由于具有优异的介电性和压电性能，且制备工艺简单、成本低，因此在信息、航天、激光和生物等高新技术领域及工业生产中都得到了广泛应用。纯的PZT (锆钛酸铅)陶瓷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，组分不易控制性能的稳定性和重复性较差，这就限制了 PZT的应用。二十世纪六十年代，出现了掺杂PZT压电陶瓷，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。但是尽管这样二元的PZT已经远远不能满足社会的需求，这就促进了对新型压电材料研究，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高的发展前景。在实际元器件中，不同的应用对压电陶瓷材料的性能参数要求不同，这就迫使人们对压电陶瓷材料进行相应的性能改进。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，能应用于制作滤波器，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。但是不加改性掺杂物的铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷机电耦合系数较小，本发明选用铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷为对象进行研究，并对本系统进行氧化铈掺杂改性，获得较为理想的压电陶瓷材料。铈(Ce)离子是典型的变价离子，多以CeO2的形式引入。从离子半径大小考虑，变价的Ce离子半径介于Zr、Ti离子半径与Pb离子的半径之间，因此Ce既可以取代A位的 Pb，也可以取代B位的Zr、Ti，适量的掺杂既可起到“软性”掺杂特点，能有效地提高机电耦合系数及压电系数；又可起到“硬性”掺杂特点，即可以提高材料的机械品质因数，降低材料的介电损耗，提高压电陶瓷的温度稳定性。
发明内容
本发明采用传统的固相合成的制备方法，提供一种以铌锑-锆钛酸铅(PSN-PZT) 为基体、掺杂二氧化铈、取得综合电学性能更好的压电陶瓷。本发明通过以下技术方案予以实现掺杂二氧化铈的铌锑-锆钛酸铅压电陶瓷，其原料组分及其质量百分比含量为 以 Pba93Batl Q7(NbljZ2Sbv2)ci Q6 (Zr。52TiQ 48)Q 9403 为基石出，外加 O. I 5. Owt. % CeO2。
所述压电陶瓷是单一的钙钛矿结构。所述原料为Pb304、BaCO3> ZrO2, TiO2, Nb2O5, Sb2O3 和 CeO2。所述压电陶瓷采用传统的固相合成的制备方法，于1220°C 1280°C烧结，保温 2h。本发明的有益效果是，提供了一种综合电学性能良好的掺杂二氧化铈的铌锑-锆钛酸铅压电陶瓷，其成分及工艺步骤简单、易于操作、重复性好、成品率高。
图I :本发明在1260°C、1280°C烧结保温2h，CeO2掺杂量对PSN-PZT压电系数d33 的影响。图2 :本发明在1260°〇、12801烧结保温211，0602掺杂量对？5^ 21'机电耦合系数 Kp的影响。图3 :本发明在1260°C、1280°C烧结保温2h，Ce02掺杂量对？3^ 21'介电常数4/% 的影响。图4 :本发明在1260°C、1280°C烧结保温2h，CeO2掺杂量对PSN-PZT介电损耗 tan δ的影响。
具体实施例方式本发明采用市售的化学纯原料(纯度彡99% )，为Pb3O4、BaCO3、Zr02、Ti O2、Nb2O5、 Sb2O3 和 CeO2。本发明掺杂二氧化铈的铌锑-锆钛酸铅压电陶瓷的具体制备方法如下⑴配料以Pba93Baa07(Nbv2SbliZ2)a06(Zra52Tia48)ci94O3 为基础，外加 xwt. % CeO2,其中 x =
O.I 5.0，按上述配方，取 X = I. 0、2· 0、3· 0、4· 0、5· 0，称取原料 Pb304、BaCO3> ZrO2, TiO2, Nb205、Sb203和CeO2，进行混合，装入尼龙罐中，球磨介质为水和玛瑙球，球料水的重量比为2 : I : O. 5，球磨4h，转速为750转/分，将混合料放入烘箱内90°C烘干，再放入研钵内研磨，过60目筛。⑵预烧将步骤(I)研磨过筛后的粉料放入坩埚内，用玛瑙棒压实，加盖，密封，在马弗炉中以7°C /min速率升温到900°C保温2h，自然冷却到室温出炉。(3) 二次球磨将步骤(2)烘干的粉料在研钵中研磨，过60目筛，装入球磨罐，加入适量的水，球磨4h，转速为750转/分，然后将粉料放入烘箱90°C烘干。(4)造粒将步骤(3)烘干的粉料在研钵中研细，过筛，加入重量浓度为5% 10%的 PVA(聚乙烯醇)，充分搅拌，过筛，将粉料放入直径为35mm的不锈钢模具内，在100 120Mpa压力下压成圆柱状还件。(5)成型将步骤(4)造粒后的圆柱状坯件静置24h，研碎、过60m筛，再将粉料放入直径为12mm的不锈钢模具中，在400Mpa压力下压成圆柱状坯件。(6)排胶将步骤(5)坯件放入马弗炉中，以3°C /min的速率将坯体升温至200°C，再以
I.5°C /min速率从200°C升至400°C，在400°C保温30min后，以5°C /min的速率升至650°C 并保温lOmin，排出有机物。(7)烧结将步骤(6)排胶出有机物坯件放入坩埚中，密封，用PSN-PZT粉料做埋料埋烧，升温速度为7V /min，分别在1260°C、1280°C保温2h，随炉自然冷却至室温。(8)烧电极将步骤(7)烧结好的陶瓷片打磨至Imm厚，自然晾干，采用丝网印刷工艺在其上下表面涂覆银浆，置于马弗炉中7V Mn升温到735°C保温lOmin，自然冷却至室温。(9)测试介电性能。本发明具体实施例详见表I。表I
权利要求
1.一种掺杂二氧化铈的铌锑-锆钛酸铅压电陶瓷，其原料组分及其质量百分比含量为:以 Pba93Baa07(Nbv2Sbv2)a06(Zra52Tia48)a94O3 为基石出，外加 xwt. % CeO2,其中 x =O.I 5. O。
2.根据权利要求I的掺杂二氧化铈的铌锑-锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于，所述压电陶瓷是单一钙钛矿结构。
3.根据权利要求I的掺杂二氧化铈的铌锑-锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于，所述原料为 Pb3O4' BaCO3λ ZrO2 λ Ti02、Nb2O5' Sb2O3 和 CeO2。
4.根据权利要求I的掺杂二氧化铈的铌锑-锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于，所述压电陶瓷釆用传统的固相合成的制备方法，于1220°C 1280°C烧结，保温2h。
全文摘要
本发明公开了一种外加二氧化铈的铌锑锆钛酸铅压电陶瓷材料，其组分及其质量百分比含量为Pb0.93Ba0.07(Nb1/2Sb1/2)0.06(Zr0.52Ti0.48)0.94O3+xwt.％CeO2，其中x＝0.1～5.0。烧结温度为1220℃～1280℃，保温2h。本发明采用传统的固相合成制备方法，提供了一种综合电学性能良好的铌锑锆钛酸铅压电陶瓷，其成分及步骤简单、易于操作、重复性好、成品率高。本发明所得的压电陶瓷非常适用于制备大功率驱动器、高温检测器件等对压电陶瓷综合性能有较高要求的器件。
文档编号C04B35/49GK102584228SQ20121001084
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月14日 优先权日2012年1月14日
发明者刘志华, 吴涛, 孙清池, 李建平, 马卫兵 申请人:天津大学