一种应用于水声换能器的压电陶瓷材料及制备方法与制造工艺

文档序号:11170050
一种应用于水声换能器的压电陶瓷材料及制备方法与制造工艺
本发明属于新型无机非金属材料领域,更具体地,涉及一种应用于水声换能器的压电陶瓷材料及制备方法。

背景技术:
在现代技术中,作为大功率水声换能器件的材料主要运用于压电换能器,压电换能器是利用压电材料的正逆压电效应制造的换能器,其广泛应用于军事卫星、导弹、飞机、舰艇、雷达和军用机器人等关键部件。在实际应用中,以压电型大功率水声换能器的应用占主导地位,而大功率压电型换能材料又以压电陶瓷为主。对于发射型换能器压电陶瓷材料,首先要满足大功率,高效率的要求,其中大功率压电陶瓷材料要求材料有高压电常数(d33≥270pC/N)、高机电耦合系数(Kp≥0.56)和高机械品质因数(Qm≥1000),并且强场下的介电损耗tanδ要尽可能小(tanδ≤0.4%)。其中,d33和Kp两个参数反映压电陶瓷材料的压电性能,Qm和tanδ两个参数反映压电陶瓷材料的损耗性能。另外,为缓解压电换能器的过热问题,压电陶瓷材料的强场非线性变化量需要尽可能低,即在交流电场场强变化过程中引入材料的相对介电常数εr的变化量需要尽可能低。目前,研究和应用最为广泛的是PZT-8体系压电陶瓷材料,其具有发热量低,热稳定性好,抗张强度高,机械品质因数Qm值高的优点,但该体系压电陶瓷材料的压电性能不够好,无法满足d33≥270pC/N或Kp≥0.56。此外,清华大学李龙土等研究CeO2掺杂下锑锰锑钴锆钛酸铅Pb[(Mn1/3Sb2/3)x(Co1/3Sb2/3)yTizZrw]O3得到较为优异的损耗特性,并得出CeO2有助于晶粒细化和均匀的结论,但是其压电性能不是很理想。鞠超对大功率收发兼备型压电陶瓷配方Pb0.94Sr0.06(Zr0.53Ti0.47)O3进行了掺杂改性,得出当掺杂物为0.10wt%(Ni2O3+Cr2O3)+0.05wt%MnO2+0.30wt%CeO2时,体系具有最佳压电和介电性能d33=338pC/N,Kp=0.626,εr=1260,tanδ=0.38%,但是其机械品质因数Qm仅有421。综上,现有大功率压电陶瓷材料的压电性能或者损耗性能存在着缺点,不能广泛应用于大功率水声换能器件等领域。

技术实现要素:
针对现有技术的缺陷,本发明的目的在于解决现有大功率压电陶瓷材料的压电性能或者损耗性能存在着缺点,不能广泛应用于大功率水声换能器件等领域的技术问题。为实现上述目的,第一方面,本发明实施例提供了一种应用于水声换能器的压电陶瓷材料,其化学通式表示如下:Pb0.98Sr0.02(Mn1/3Sb2/3)0.08Zr0.47Ti0.45O3+xwt%CeO2+ywt%Yb2O3+zwt%BiFeO3;式中Pb0.98Sr0.02(Mn1/3Sb2/3)0.08Zr0.47Ti0.45O3为基体陶瓷粉体,xwt%表示CeO2占所述基体陶瓷粉体的重量百分比,ywt%表示Yb2O3占所述基体陶瓷粉体的重量百分比,zwt%表示BiFeO3占所述基体陶瓷粉体的重量百分比,所述压电陶瓷材料的压电常数大于或等于300pC/N,机电耦合系数大于或等于0.56,在5kV/cm交流电场下的强场下的介电损耗最小为2.74%,机械品质因数大于或等于1301,0<x≤1,0≤y≤0.9,0≤z≤0.55。本发明实施例提供的压电陶瓷材料的压电常数大于或等于300pC/N,机电耦合系数大于或等于0.56,在5kV/cm交流电场下的强场下的介电损耗最小为2.74%,机械品质因数大于或等于1301,即该压电陶瓷材料的压电性能和损耗性能均符合大功率水声换能器件的需求,是一种性能较优的压电陶瓷材料,具有广阔的应用前景。可选地,当y=0时,0.10≤z≤0.55,当z=0时,0.05≤y≤0.9。本发明实施例可通过选择合适的重量掺杂比例,以调控压电陶瓷材料的烧结温度、压电性能或损耗性能。可选地,当y=z=0时,随着x的增加,所述压电陶瓷材料的强场介电损耗呈降低趋势,若x=0,则所述压电陶瓷材料在5kV/cm交流电场下的强场介电损耗为4.06%,若x=1,则所述压电陶瓷材料在5kV/cm交流电场下的强场介电损耗为2.74%,若x=0.75,则所述压电陶瓷材料在交流电场场强由1kV/cm变化至5kV/cm过程中引入的相对介电常数变化量为336;若x由0变化至0.25,则所述压电陶瓷材料在5kV/cm交流电场下的强场介电损耗从4.06%降低到3.69%,所述压电陶瓷材料的机械品质因数从1181提高到1621,所述压电陶瓷材料在小信号下介电损耗从0.517%降低到0.447%,所述压电陶瓷材料的压电常数和机电耦合系数变化不大。需要说明的是,小信号下介电损耗指的是在交流电压为1V下的介电损耗。压电陶瓷材料在交流电场场强由1kV/cm变化至5kV/cm过程中引入的相对介电常数变化量反映压电陶瓷材料的强场非线性,当相对介电常数变化量越小,则压电陶瓷材料的强场非线性越小,压电陶瓷材料的强场非线性越小,越可以在其应用到大功率保证大功率水声换能器的较高工作效率的同时有效缓解换能器过热问题,有利于提高换能器的使用寿命和工作精度。本发明实施例提供的压电陶瓷材料在PMS-PZT体系的基础上,掺杂适量的CeO2可以改善PMS-PZT体系的损耗性能,同时对压电性能的影响较低,使得PMS-PZT+xwt%CeO2(0≤x≤1)体系压电陶瓷材料的压电性能满足大功率水声换能器的需求,同时相比PMS-PZT体系大大降低了小信号和强场下的介电损耗,且提升了机械品质因数。可选地,当x=0.25,z=0时,若y由0变化至0.15,则所述压电陶瓷材料在5kV/cm交流电场下的强场介电损耗从3.69%降低到3.16%,所述压电陶瓷材料的机械品质因数从1621提高到1809,所述压电陶瓷材料的压电常数从331pC/N提高到368pC/N,所述压电陶瓷材料的机电耦合系数从0.585提高到了0.626;若y=0.50,则所述压电陶瓷材料在交流电场场强由1kV/cm变化至5kV/cm过程中引入的相对介电常数变化量为256。可选地,当x=0.25,y=0时,若z由0变化至0.2,则所述压电陶瓷材料在5kV/cm交流电场下的强场介电损耗从3.69%降低到3.26%,所述压电陶瓷材料的压电常数由331pC/N上升至359pC/N,所述压电陶瓷材料的机电耦合系数由0.585上升为0.622;相比x=y=z=0时压电陶瓷材料的性能,当x=0.25,y=0,z=0.55时,所述压电陶瓷材料在小信号下的介电损耗从0.517%降低到0.338%,所述压电陶瓷材料的机械品质因数从1181提高到1475,所述压电陶瓷材料的压电常数d33也从353pC/N上升到364pC/N。第二方面,本发明实施例提供了一种上述第一方面所述的压电陶瓷材料的制备方法,包括:将Pb3O4原料粉体、SrCO3原料粉体、MnO2原料粉体、Sb2O3原料粉体、ZrO2原料粉体以及TiO2原料粉体按照化学计量比混合加热得到Pb0.98Sr0.02(Mn1/3Sb2/3)0.08Zr0.47Ti0.45O3基体陶瓷粉体;将CeO2、Yb2O3以及BiFeO3原料粉体中的至少一种与Pb0.98Sr0.02(Mn1/3Sb2/3)0.08Zr0.47Ti0.45O3基体陶瓷粉体按化学通式Pb0.98Sr0.02(Mn1/3Sb2/3)0.08Zr0.47Ti0.45O3+xwt%CeO2+ywt%Yb2O3+zwt%BiFeO3所示的重量百分比掺杂后获得混合粉体,将所述混合粉体球磨、造粒并干压形成坯片,将坯片在1180℃~1320℃烧结后获得所述压电陶瓷材料。可选地,将Pb3O4原料粉体、SrCO3原料粉体、MnO2原料粉体、Sb2O3原料粉体、ZrO2原料粉体以及TiO2原料粉体按化学通式Pb0.98Sr0.02(Mn1/3Sb2/3)0.08Zr0.47Ti0.45O3所示的化学计量比混合,得到所述基体陶瓷粉体的原始混合粉体,并将所述基体陶瓷粉体的原始混合粉体在850℃~900℃下加热保温1~3小时得到所述基体陶瓷粉体。可选地,当烧结温度为1320℃,y=z=0时,随着x的增加,所述压电陶瓷材料的晶粒尺寸呈降低趋势,所述压电陶瓷材料的强场介电损耗呈降低趋势,若x=0,则所述压电陶瓷材料在5kV/cm交流电场下的强场介电损耗为4.06%,若x=1,则所述压电陶瓷材料在5kV/cm交流电场下的强场介电损耗为2.74%,若x=0.75,则所述压电陶瓷材料在交流电场场强由1kV/cm变化至5kV/cm过程中引入的相对介电常数变化量为336;若x由0变化至0.25,则所述压电陶瓷材料在5kV/cm交流电场下的强场介电损耗从4.06%降低到3.69%,所述压电陶瓷材料的机械品质因数从1181提高到1621,所述压电陶瓷材料在小信号下介电损耗从0.517%降低到0.447%,所述压电陶瓷材料的压电常数和机电耦合系数变化不大。可选地,当烧结温度为1220℃,x=0.25,z=0时,随着y的增加,所述压电陶...
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