本发明涉及一种用于电子元器件行业的压电陶瓷材料，特别是涉及一种离子掺杂锑锰锆钛酸铅压电陶瓷材料及其制备方法，属于电器元件及其材料制造技术领域。
背景技术：
锆钛酸铅压电陶瓷即pzt陶瓷是目前使用非常广泛的一类压电材料，由于压电陶瓷材料的应用十分广泛，在不同的应用领域，对其性能有不同的要求。为了适应不同的使用要求，各种各样的压电陶瓷配方被开发和设计。如用以制作水声换能器的压电材料，属接收型（如水听器接收振子），必须保证高的机电耦合系数kp以及大的压电应变常数g31或g33；应用于发射领域（如声纳发射振子），则需要具有高的机械品质因素qm，同时要求在高频的强电场下介质损耗tanδ小，压电性能不易衰退；压电换能器材料的共同要求是机电耦合系数大，介电常数高。但是首先这些性能往往是相互矛盾的，例如，介电常数大的材料，tanδ往往也大；kp值高的材料，qm值较低，且稳定性较差等等。其次对于pzt基的压电陶瓷来说，其烧结温度大多都在1200℃以上，致使原料中的pbo会挥发，这一方面会造成陶瓷的化学组成会偏离化学计量比，严重影响压电陶瓷的性能，另一方面铅的挥发也会对人体及环境造成不良的影响。在当前的生产中，弥补铅挥发的主要方法是采用埋烧法、密封烧结法或使pbo过量，这些都不能从根本上消除pbo的挥发，抑制pbo挥发较为有效的方法是实现压电陶瓷材料的低温烧结，即将压电陶瓷材料的烧结温度降低至pbo挥发的温度以下。
技术实现要素：
本发明使用sr、ba离子复配掺杂结合v2o5掺杂锑锰锆钛酸铅（pms-pzt）压电陶瓷，通过优化压电陶瓷及其制备工艺以期获得高性能pms-pzt压电陶瓷材料。
本发明的目的之一在于提供一种具有高压电系数、高机械品质因数、高机电耦合系数的锑锰-锆钛酸铅基压电陶瓷(pms-pzt)，适合于高强度超声换能器、压电传感器等器件的应用，其组成为：pb1.04(mn1/3sb2/3)0.05zr0.47ti0.48o3+0.1wt%srco3+0.2wt%baco3+xwt%v2o5，其中x=0.05～1.5，wt%表示质量百分比，表示占总质量的质量百分比含量。
本发明提供的sr、ba离子复配掺杂以及v2o5掺杂锑锰锆钛酸铅(pms-pzt)压电陶瓷，按pb1.04(mn1/3sb2/3)0.05zr0.47ti0.4803+0.1wt%srco3+0.2wt%baco3+xwt%v2o5(其中x=0.05～1.5)的化学计量比称取的原材料为pb3o4、srco3、mno、sb2o3、tio2、zro2、baco3、v2o5。
本发明所述离子掺杂锑锰锆钛酸铅压电陶瓷材料即sr、ba离子复配掺杂以及v2o5掺杂锑锰锆钛酸铅（pms-pzt）压电陶瓷具有单一的钙钛矿结构。
本发明的另一目的在于提供所述离子掺杂锑锰锆钛酸铅压电陶瓷材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将按照比例精确称量好的原料加入到球磨罐中进行星式球磨，物料加入球磨罐时应注意加入的原料的顺序，先加入一份量多的原料再加入一份量少的原料，按照一多一少的顺序将原料依次加入球磨罐中，防止含量较小的物料粘壁造成的化学比的偏离，设置球磨转速为200~300rad/min，球磨混料10~12h，在80~90℃烘干后，研磨过60~80目筛；
（2）将步骤（1）过筛后的物料，进行预压，预压后的块状物料在密闭条件下750~900℃煅烧1.5~2h；
（3）将步骤（2）煅烧后的物料碾碎，二次球磨，烘干，过250~325目筛，按照原料总质量6%的比例加质量浓度为11%~12%的pva水溶液，充分研磨，再过60~80目筛；
（4）将步骤（3）过筛的物料，模压成型，得到生坯片；
（5）将步骤（4）得到的生坯片先在500~600℃脱脂，然后以2℃/min的升温速率升温至1020~1080℃，以5℃/min的升温速率升温至1120~1180℃/min，保温10~30min，以10℃/min的降温速率降温到700~1000℃，保温2h，得到烧结体；
（6）将步骤（5）得到的烧结体进行抛光，在表面涂抹中温银浆后，80~90℃烘干，600~700℃下烧结2小时，得到被银陶瓷片；
（7）将步骤（6）得到的被银陶瓷片放入120~130℃的硅油中，以2.5~3kv/mm直流电压极化15~20min后，取出在空气中自然老化24h，得到陶瓷片。
本发明的有益效果：
本发明制得的离子掺杂锑锰锆钛酸铅压电陶瓷材料相比pms-pzt基压电陶瓷的压电系数、机械品质因数和机电耦合系数提高了，其压电系数d33=313~326pc/n、机械品质因数qm=1387~1888、机电耦合系数kp=0.60~0.63、相对介电系数εr=1419~1466；本发明方法简单，焙烧温度低于1180℃，不会造成氧化铅的大量挥发，保护环境，且保证了材料的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1离子掺杂锑锰锆钛酸铅压电陶瓷材料的扫描电镜图；
图2为本发明实施例1-5离子掺杂锑锰锆钛酸铅压电陶瓷材料的xrd图谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例一种离子掺杂锑锰锆钛酸铅压电陶瓷材料，其原料组成为：pb1.04(mn1/3sb2/3)0.05zr0.47ti0.4803+0.1wt%srco3+0.2wt%mno2+0.05wt%v2o5，wt%表示占材料总质量的质量百分比，其原材料为pb3o4、srco3、mno、sb2o3、tio2、zro2、baco3、v2o5。
本实施例所述离子掺杂锑锰锆钛酸铅压电陶瓷材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将按照比例精确称量好的原料加入到球磨罐中进行星式球磨，物料加入球磨罐时应注意加入的原料的顺序，先加入一份量多的原料再加入一份量少的原料，按照一多一少的顺序将原料依次加入球磨罐中，防止含量较小的物料粘壁造成的化学比的偏离，且球磨罐中球：料：无水乙醇的重量比为2︰1︰0.7，球磨转速为200rad/min，球磨混料12h后取出将混合料放入烘箱中，90℃烘干后，放入研钵体内研磨过60目筛；
（2）将步骤（1）过筛后的物料放入模具进行预压，预压后的块状物料放入坩埚中并加盖密封，850℃煅烧2h；
（3）将步骤（2）煅烧后的物料碾碎，二次球磨，烘干，过325目筛，按照原料总质量6%的比例加质量浓度为12%的pva水溶液，在研钵中充分研磨，再过60目筛；
（4）将步骤（3）过筛的物料，模压成型，得到生坯片；
（5）将步骤（4）得到的生坯片先在500℃脱脂排胶，然后将排胶后的坯片以2℃/min的升温速率升温至1020℃进行第一段烧结，以5℃/min的升温速率升温至1180℃/min，保温30min进行第二段烧结，以10℃/min的降温速率快速降温到1000℃，保温2h进行第三段烧结，得到烧结体；
（6）将步骤（5）得到的烧结体进行抛光，在其表面涂抹中温银浆后，80℃烘干后，600℃下烧结2h，得到被银陶瓷片，所使用的中温银浆为贵研铂业股份有限公司生产的型号为pc-ag-5310的中温银浆；
（7）将步骤（6）得到的被银陶瓷片放入120℃的硅油中，以3kv/mm直流电压极化15min后，取出在空气中自然老化24h，得到陶瓷片。
将陶瓷片进行性能测试，得到的结果分别为：d33=313pc/n、机械品质因数qm=1748、机电耦合系数kp=0.63、相对介电系数εr=1420。
图1为本实施例制备得到的陶瓷片断面的扫描电镜图，从图中可以看出晶粒尺寸约为5µm，晶粒发育较好，大小均匀，晶界结合致密。
实施例2
本实施例一种离子掺杂锑锰锆钛酸铅压电陶瓷材料，其原料组成为：pb1.04(mn1/3sb2/3)0.05zr0.47ti0.4803+0.1wt%srco3+0.2wt%mno2+0.1wt%v2o5，wt%表示占材料总质量的质量百分比，其原材料为pb3o4、srco3、mno、sb2o3、tio2、zro2、baco3、v2o5。
本实施例所述离子掺杂锑锰锆钛酸铅压电陶瓷材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将按照比例精确称量好的原料加入到球磨罐中进行星式球磨，物料加入球磨罐时应注意加入的原料的顺序，先加入一份量多的原料再加入一份量少的原料，按照一多一少的顺序将原料依次加入球磨罐中，防止含量较小的物料粘壁造成的化学比的偏离，且球磨罐中球：料：无水乙醇的重量比为2︰1︰0.7，球磨转速为250rad/min，球磨混料12h后取出将混合料放入烘箱中，85℃烘干后，放入研钵体内研磨过65目筛；
（2）将步骤（1）过筛后的物料放入模具进行预压，预压后的块状物料放入坩埚中并加盖密封，900℃煅烧1.5h；
（3）将步骤（2）煅烧后的物料碾碎，二次球磨，烘干，过250目筛，按照原料总质量6%的比例加质量浓度为12%的pva水溶液，在研钵中充分研磨，再过65目筛；
（4）将步骤（3）过筛的物料，模压成型，得到生坯片；
（5）将步骤（4）得到的生坯片先在600℃脱脂排胶，然后将排胶后的坯片以2℃/min的升温速率升温至1040℃进行第一段烧结，以5℃/min的升温速率升温至1120℃/min，保温25min进行第二段烧结，以10℃/min的降温速率快速降温到950℃，保温2h进行第三段烧结，得到烧结体；
（6）将步骤（5）得到的烧结体进行抛光，在其表面涂抹中温银浆后，85℃烘干后，600℃下烧结2h，得到被银陶瓷片，所使用的中温银浆为贵研铂业股份有限公司生产的型号为pc-ag-5310的中温银浆；
（7）将步骤（6）得到的被银陶瓷片放入125℃的硅油中，以2.5kv/mm直流电压极化20min后，取出在空气中自然老化24h，得到陶瓷片。
将陶瓷片进行性能测试，得到的结果分别为：d33=326pc/n、机械品质因数qm=1387、机电耦合系数kp=0.61、相对介电系数εr=1466。
实施例3
本实施例一种离子掺杂锑锰锆钛酸铅压电陶瓷材料，其原料组成为：pb1.04(mn1/3sb2/3)0.05zr0.47ti0.4803+0.1wt%srco3+0.2wt%mno2+0.5wt%v2o5，wt%表示占材料总质量的质量百分比，其原材料为pb3o4、srco3、mno、sb2o3、tio2、zro2、baco3、v2o5。
本实施例所述离子掺杂锑锰锆钛酸铅压电陶瓷材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将按照比例精确称量好的原料加入到球磨罐中进行星式球磨，物料加入球磨罐时应注意加入的原料的顺序，先加入一份量多的原料再加入一份量少的原料，按照一多一少的顺序将原料依次加入球磨罐中，防止含量较小的物料粘壁造成的化学比的偏离，且球磨罐中球：料：无水乙醇的重量比为2︰1︰0.7，球磨转速为300rad/min，球磨混料10h后取出将混合料放入烘箱中，90℃烘干后，放入研钵体内研磨过60目筛；
（2）将步骤（1）过筛后的物料放入模具进行预压，预压后的块状物料放入坩埚中并加盖密封，750℃煅烧2h；
（3）将步骤（2）煅烧后的物料碾碎，二次球磨，烘干，过270目筛，按照原料总质量6%的比例加质量浓度为11%的pva水溶液，在研钵中充分研磨，再过60目筛；
（4）将步骤（3）过筛的物料，模压成型，得到生坯片；
（5）将步骤（4）得到的生坯片先在550℃脱脂排胶，然后将排胶后的坯片以2℃/min的升温速率升温至1050℃进行第一段烧结，以5℃/min的升温速率升温至1150℃/min，保温20min进行第二段烧结，以10℃/min的降温速率快速降温到900℃，保温2h进行第三段烧结，得到烧结体；
（6）将步骤（5）得到的烧结体进行抛光，在其表面涂抹中温银浆后，90℃烘干后，650℃下烧结2h，得到被银陶瓷片，所使用的中温银浆为贵研铂业股份有限公司生产的型号为pc-ag-5310的中温银浆；
（7）将步骤（6）得到的被银陶瓷片放入130℃的硅油中，以3kv/mm直流电压极化20min后，取出在空气中自然老化24h，得到陶瓷片。
将陶瓷片进行性能测试，得到的结果分别为：d33=315pc/n、机械品质因数qm=1888、机电耦合系数kp=0.60、相对介电系数εr=1419。
实施例4
本实施例一种离子掺杂锑锰锆钛酸铅压电陶瓷材料，其原料组成为：pb1.04(mn1/3sb2/3)0.05zr0.47ti0.4803+0.1wt%srco3+0.2wt%mno2+1wt%v2o5，wt%表示占材料总质量的质量百分比，其原材料为pb3o4、srco3、mno、sb2o3、tio2、zro2、baco3、v2o5。
本实施例所述离子掺杂锑锰锆钛酸铅压电陶瓷材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将按照比例精确称量好的原料加入到球磨罐中进行星式球磨，物料加入球磨罐时应注意加入的原料的顺序，先加入一份量多的原料再加入一份量少的原料，按照一多一少的顺序将原料依次加入球磨罐中，防止含量较小的物料粘壁造成的化学比的偏离，且球磨罐中球：料：无水乙醇的重量比为2︰1︰0.7，球磨转速为250rad/min，球磨混料11h后取出将混合料放入烘箱中，80℃烘干后，放入研钵体内研磨过80目筛；
（2）将步骤（1）过筛后的物料放入模具进行预压，预压后的块状物料放入坩埚中并加盖密封，900℃煅烧1.5h；
（3）将步骤（2）煅烧后的物料碾碎，二次球磨，烘干，过300目筛，按照原料总质量6%的比例加质量浓度为11.5%的pva水溶液，在研钵中充分研磨，再过80目筛；
（4）将步骤（3）过筛的物料，模压成型，得到生坯片；
（5）将步骤（4）得到的生坯片先在600℃脱脂排胶，然后将排胶后的坯片以2℃/min的升温速率升温至1060℃进行第一段烧结，以5℃/min的升温速率升温至1140℃/min，保温15min进行第二段烧结，以10℃/min的降温速率快速降温到850℃，保温2h进行第三段烧结，得到烧结体；
（6）将步骤（5）得到的烧结体进行抛光，在其表面涂抹中温银浆后，80℃烘干后，700℃下烧结2h，得到被银陶瓷片，所使用的中温银浆为贵研铂业股份有限公司生产的型号为pc-ag-5310的中温银浆；
（7）将步骤（6）得到的被银陶瓷片放入120℃的硅油中，以2.8kv/mm直流电压极化18min后，取出在空气中自然老化24h，得到陶瓷片。
将陶瓷片进行性能测试，得到的结果分别为：d33=324pc/n、机械品质因数qm=1484、机电耦合系数kp=0.62、相对介电系数εr=1463。
实施例5
本实施例一种离子掺杂锑锰锆钛酸铅压电陶瓷材料，其原料组成为：pb1.04(mn1/3sb2/3)0.05zr0.47ti0.4803+0.1wt%srco3+0.2wt%mno2+1.5wt%v2o5，wt%表示占材料总质量的质量百分比，其原材料为pb3o4、srco3、mno、sb2o3、tio2、zro2、baco3、v2o5。
本实施例所述离子掺杂锑锰锆钛酸铅压电陶瓷材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将按照比例精确称量好的原料加入到球磨罐中进行星式球磨，物料加入球磨罐时应注意加入的原料的顺序，先加入一份量多的原料再加入一份量少的原料，按照一多一少的顺序将原料依次加入球磨罐中，防止含量较小的物料粘壁造成的化学比的偏离，且球磨罐中球：料：无水乙醇的重量比为2︰1︰0.7，球磨转速为300rad/min，球磨混料12h后取出将混合料放入烘箱中，90℃烘干后，放入研钵体内研磨过60目筛；
（2）将步骤（1）过筛后的物料放入模具进行预压，预压后的块状物料放入坩埚中并加盖密封，850℃煅烧2h；
（3）将步骤（2）煅烧后的物料碾碎，二次球磨，烘干，过270目筛，按照原料总质量6%的比例加质量浓度为12%的pva水溶液，在研钵中充分研磨，再过60目筛；
（4）将步骤（3）过筛的物料，模压成型，得到生坯片；
（5）将步骤（4）得到的生坯片先在600℃脱脂排胶，然后将排胶后的坯片以2℃/min的升温速率升温至1080℃进行第一段烧结，以5℃/min的升温速率升温至1160℃/min，保温10min进行第二段烧结，以10℃/min的降温速率快速降温到700℃，保温2h进行第三段烧结，得到烧结体；
（6）将步骤（5）得到的烧结体进行抛光，在其表面涂抹中温银浆后，85℃烘干后，660℃下烧结2h，得到被银陶瓷片，所使用的中温银浆为贵研铂业股份有限公司生产的型号为pc-ag-5310的中温银浆；
（7）将步骤（6）得到的被银陶瓷片放入120℃的硅油中，以3kv/mm直流电压极化20min后，取出在空气中自然老化24h，得到陶瓷片。
将陶瓷片进行性能测试，得到的结果分别为：d33=315pc/n、机械品质因数qm=1582、机电耦合系数kp=0.61、相对介电系数εr=1432。
图2所示为实施例1-5所得陶瓷片断面的xrd图，从图中可知，实施例1-5制备得到的试样均为钙钛矿结构，且没有发现焦绿石相或者其它的杂质相，在2θ=45°附近时｛200｝晶面的特征峰分裂成(200)t(002)t两个特征峰，即处于准同型相界，材料性能最佳。