专利名称:超声大功率压电陶瓷材料及其工艺的制作方法
本发明属于压电陶瓷材料及其制造工艺。
压电陶瓷材料的制造都是采用一般的陶瓷工艺，由于组成材料的成份在比例上的差异而显示出性能上的差异。就通常的性能而言，有的属于软性的接收型材料，有的属于硬性的发射型材料，或两种特性兼有的收发两用型材料。就发射材料而言，要求具有高的机电耦合系数，较高的介电常数，高的机械品质因数，低的介质损耗，特别是低的强场介质损耗，大的功率密度等。在我国目前较好的发射型材料是以Fe，Ca改性的PZT压电陶瓷材料。(中国科学院硅酸盐研究所压电组《低强场损耗锆钛酸铅压电陶瓷材料的研究》，新型无机材料，4，1972，中国科学院声学所四室材料组《强电场下低介电损耗锆钛铅压电陶瓷材料》，声学所内部资料1973年)，该材料虽有较高的机电耦合系统，较低的介质损耗，较高的机械品质因数，但它存在着矫顽场较低，强场损耗较大，功率密度较小之不足，故不能承受较大的功率，往往在大功率作用下，由于发热使元件损坏，不能正常工作。1971年美国Vernitron公司的PZT-8材料(D.Berlincourt Ultrasonio Transducer Materials)虽是较好的大功率材料，但亦有强场损耗较大，机械品质因数较低之不足。1980年日本西田正光等人在电子通信学会技术研究报告(US80-31)“大功率用压电陶瓷”中所用配方为铌锌酸铅-铌锡酸铅-锆酸铅-钛酸铅四成份系压电陶瓷，在添加二氧化锰和三氧化锑后所得到的，虽有较高的机电耦合系数，高的机械Q值等优点，但介质损耗又较高、矫顽场又较低。
本发明的目的在于改善发射型材料的大功率特性。通过对材料配方的研究，得到较为理想的材料配方，使大功率特性，特别是强场介质损耗，矫顽场，功率密度等方面有较大的提高，满足在大功率作用下对材料性能的要求。
目前我国通常使用的较好的发射材料是以5克分子%的Sr置换Pb，锆钛比为52比48的锆钛酸铅及1.5克分子%的铁酸钙(CaFeO5/2)组成的。本发明即以此为基，增加A克分子%的氧化锂(Li2O)和B克分子%的氧化镁(MgO)两种成份，并辅以特定的制造工艺而获得本发明的材料。
本发明的一个实施例，其组成范围是采用化学表达式为
Pb0.95Sr0.05(Zr0.52Ti0.48)O3+1.5克分子%CaFeO5/2
+A克分子%Li2O+B克分子%MgO
所得到的材料。其中
A为 0.01至0.20
B为 0.00至0.07
当A为0.05，B为0.01时，为本发明的最佳组成。本发明的制造工艺是这样的，按化学组成计量，称取各种相应的化学原料，将其在振动磨机中混合2.5小时，在940℃下保温2小时预烧，再将预烧的料块破碎，在振动磨机中粉碎5小时，而后加入占瓷料重量4%，浓度为5%的聚乙烯醇溶液为粘合剂，在1吨/〔厘米〕2的压力下成型，成型后于1240℃至1310℃下保温1至5小时烧成，在120℃下，以3KV/mm的直流电场极化15分钟。本发明的最佳烧结条件;温度为1260℃，保温时间为3小时。保温时间的长短视烧制坯件的大小而异，如直径为60mm，厚为5mm以下的园形坯件，即可采用上述的最佳烧成条件，如尺寸再大，保温时间就要延长到5小时左右。
本发明在制造工艺上还有两个特点，即
1.对原材料的处理主要是对二氧化锆(ZrO2)，二氧化钛(TiO2)氧化铅(Pb2O4)，对ZrO2，先水洗再在900℃下保温2小时锻烧而后粉碎。对TiO3在900℃下保温2小时锻烧对Pb3O4在120℃下烘烤24小时。
2.在化学计量时为补偿在高温时铅的挥发，Pb3O4的用量比化学计量多0.5%。
本发明材料具有较好的大功率特性，与目前我国P-8型发射型材料及美国Vernitron公司PZT-8型材料相比，优点是显著的，如下表所示
上列数值取自最佳组成
从上表显见本发明材料的强场损耗不仅比P-8低，而且也比美国Vernitron公司的PZT-8低，功率密度Wρ比P-8高2倍左右，机电耦合系数Kp也比PZT-8高，可见，本发明的材料其大功率特性是显著的，在实际使用中，效果也是很显著的，在大功率条件不会损坏，能稳定地正常工作。
本发明材料不仅性能优异，而且具有易烧结，瓷质致密，成品率高等特点。
权利要求
1、一种由锆钛酸铅(PZT)铁酸钙(CaFeO5/2)为基料的压电陶瓷材料，其特征在于含有以氧化锂(Li2O)和氧化镁(MgO)成份组成大功率压电陶瓷材料。
2、按照权利要求
1所说的压电陶瓷材料，其特征在于所说的Li2O，其量为0.01至0.20克分子%，最佳量为0.05克分子%。
3、按照权利要求
1所说的压电陶瓷材料，其特征在于所说的MgO其量为0至0.07克分子%，最佳量为0.01克分子%。
4、按照权利要求
1所说的压电陶瓷材料，其特征在于Pb3O4的用量比，化学计量多0.5%。
5、一种用于制造权利要求
1所说的压电陶瓷材料的工艺，其特征在于采用水洗，锻烧，烘烤，混合，预烧，粉碎，磨细，成型，极化的工艺。
6、按照权利要求
5所说的工艺，其特征在于所说的水洗是指对ZrO2所进行的处理。
7、按照权利要求
5所说的工艺，其特征在于所说的锻烧，是指对ZrO2和TiO2在900℃的温度下历时2小时。
8、按照权利要求
5所说的工艺，其特征在于所说的烘烤是指对Pb3O4在120℃的温度下历时24小时。
9、按照权利要求
5所说的工艺，其特征在于所说的烧结是在1240至1310℃的温度下进行1至5小时，其中以在1260℃的温度下烧结3小时为最佳。
10、按照权利要求
5所说的工艺，其特征在于所说的极化是在温度为120℃和在直流电压为3KV/mm的条件下历时15分钟。
11、按权利要求
5所说的工艺，其特征在于在粉碎之后要加入浓度为5%，用量占资料重量4%的聚乙烯醇溶液作粘合剂。
专利摘要
一种由5％的Sr置换Pb，锆钛比为52比48的锆钛酸铅及1.5克分子％的CaFeO5/2组成的陶瓷材料。由于增加了A克分子％的Li2O及B克分子％的MgO而获得大功率性能优异的陶瓷材料，在对原材料进行预处理，降低烧结温度，延长保温时间而得到不仅性能优异，而且具有易烧结，瓷质致密，成品率高等特点，在实际使用中已获得满意的效果。
文档编号C01F5/02GK85100702SQ85100702
公开日1986年8月20日 申请日期1985年4月1日
发明者刘永怀 申请人:中国科学院声学研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan