一种压电陶瓷材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种谐振频率温度稳定性明显的铌镍锆钛酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法，所述压电陶瓷材料的组成通式为：PbxBa1?x(Ni1/3Nb2/3)y[Zr0.54/Ti0.46]zO3+aNb2O5。其中x、y、z均为摩尔比，0.85≤X≤0.90，0.023≤y≤0.025，0.975≤z≤0.977，a为重量比，以PbxBa1?x(Ni1/3Nb2/3)y[Zr0.53/Ti0.47]zO3重量为1计，0.2%≤a≤0.35%。该类陶瓷具备高谐振频率温度稳定性。可满足压电驱动器压电扬声器等的应用需要，极具应用前景。
【专利说明】
一种压电陶瓷材料及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种压电陶瓷材料及其制备方法，属于功能陶瓷材料技术领域。
【背景技术】
[0002 ]压电陶瓷在电子功能材料领域中占据相当大的比重，压电陶瓷材料的各物理参数都随温度发生变化。为了保证压电器件在较宽的温度范围内可以正常地工作，应用上要求压电陶瓷材料的性能随温度的变化尽可能地小，即要求压电陶瓷具有良好的温度稳定性。因此，压电陶瓷的温度稳定性问题受到人们的高度重视，开展了广泛的研究。研究的中心任务就是要清楚地了解影响稳定性的主要因素，寻找优良的配方以及合适的工艺条件，以便获得具有良好温度稳定性的压电陶瓷材料。目前对温度稳定性研究的一个重要方面是压电陶瓷谐振子的频率稳定性，这是因为谐振频率(或频率常数)在应用上极其重要。本技术方案通过改进压电陶瓷材料配方，寻找到相适应的制备方案来提高压电陶瓷材料谐振频率温度稳定性。
[0003]随着微型传感器在光电领域的应用和微加工技术的需求增加，压电微位移驱动器的应用范围逐步扩大，如在纳米工程，高精度定位及加工系统中，压电微位移驱动器有着非常重要的应用。这些系统对压电微位移器也有着非常高的要求，如大压电位移，低的驱动电压，高的温度稳定性等。压电陶瓷在不同温度下谐振频率、介电性能等会发生偏移，超过居里温度点还会出现压电性能消失的情况。因此，此类高性能微位移驱动器用压电陶瓷材料正最大相对频率漂移小于0.5%，负最大相对频率漂移小于1%。
[0004]为了达到较高的温度稳定性，提高微位移驱动器的精度，本发明采用PbxBapx(Nh/sNbs/shBr0.M/T1iLOs+aNbsOs，0.023 彡 y彡 0.025，0.975 彡z彡 0.977 的铌镍酸铅和锆钛酸铅比例、钡0.85彡X彡0.90的A位取代量以及铌0.3%彡a彡0.35%的掺杂有效改善了陶瓷具备高容量温度稳定性。可满足压电驱动器压电扬声器等的应用需要，极具应用前景。
[0005]实施例一:
在配料前准备好球磨罐及氧化锆球并清洗干净，按照IL尼龙罐1.5kg Φ 3锆球500g粉料比例配备待用。
[0006]步骤I)按照 PbxBa1-X (Ni 1/3M32/3) y [ Zr。.54/T i。.46 ] z 03+aNb20s，其中 x、y、z均为摩尔比，X=0.90, y=0.023，z=0.977，a 为重量比，以 PbxBa1-重量为I计，a=0.34% ο
[0007]准备物料，并进行水分测试，测试数据用以修正称量重量。根据修正好的重量数据称重配料，配料时按照四氧化三铅(约1/2)、及锆、钛、铌、碳酸钡、另一半的四氧化三铅的顺序加入到球磨罐中。按照料:去离子水:无工业酒精=1:0.8:0.08(重量比)加相应的去离子水及无水乙醇到球磨桶中。用行星球磨机球磨1.5?2小时，倒出混合好的料于不锈钢盘中，开启箱电源，设定上下温度为80?100°C，前期每10?15分钟进行搅拌一次直至料浆烘至粘稠状，当料浆烘干至块状不黏手时即为烘干，关电源，自然冷却待烘干(料浆粒度达到:D50<0.55ym，D90<1.55ym)。将冷却后的不锈钢盘取出，在盘中初步捣碎料块后，刮下盘壁上粘料混均，加入打粉机粉碎。再将粉料装入匣钵中，每加入半勺，铺平，振实，即将加满时称重，料重控制在620±3g.压实后的料面距匣钵上沿1.5cm左右。装好的匣钵送入预烧炉中预
/9ti ο
[0008]步骤2)将装好的匣钵放入高温炉预烧，在800?900°C合成2?3小时，将合成好的粉体捣碎按照料:去离子水:无工业酒精=1:0.8:0.08(重量比)加相应的去离子水及无水乙醇到球磨桶中。用行星球磨机球磨2.5小时，倒出混合好的料于不锈钢盘中，开启箱电源，设定上下温度为135°C烘干，关电源，自然冷却待烘干(料浆粒度达到:D50<0.55ym，D90<1.55μηι) ο
[0009]步骤3)将烘干好的预烧粉加入8%(重量比)的PVA水溶液(PVA含量5%)。在8Mpa下压制成素坯，放入高温烧结炉中1200 °C烧结2小时。取出后两面磨平，涂敷银电极并用120 °C烘干后，放入高温炉设置温度为50(TC保温十分钟。
[0010]步骤4)将上完银电极的压电陶瓷片在100°C温度下采用1100V/mm电压极化。
[0011 ] 将极化好的陶瓷片在100°C老化15h，并测试数据得:Kp=0.75，C33=2300，tg9=l.6%，Qm=45，d33=650，-40°C到85°C，正最大相对频率漂移小于0.5%，负最大相对频率漂移小于1%。
[0012]实施例二:
在配料前准备好球磨罐及氧化锆球并清洗干净，按照IL尼龙罐1.5kg Φ 3锆球500g粉料比例配备待用。
[0013]步骤I)按照PbxBa1-x(Nii/3Nb2/3)y[Zr0.53/Ti().47]z03+aNb205，其中x、y、z均为摩尔比，X=0.85,y=0.025，z=0.975，a 为重量比，以 PbxBa1-重量为 I计，a=0.345% ο
[0014]准备物料，并进行水分测试，测试数据用以修正称量重量。根据修正好的重量数据称重配料，配料时按照四氧化三铅(约1/2)、及锆、钛、铌、碳酸钡、另一半的四氧化三铅的顺序加入到球磨罐中。按照料:去离子水:无工业酒精=1:0.8:0.08(重量比)加相应的去离子水及无水乙醇到球磨桶中。用行星球磨机球磨3小时，倒出混合好的料于不锈钢盘中，开启箱电源，设定上下温度为120?150°C，前期每10?15分钟进行搅拌一次直至料浆烘至粘稠状，当料浆烘干至块状不黏手时即为烘干，关电源，自然冷却待烘干(料浆粒度达到:D50<
0.55ym，D90<1.55ym)。将冷却后的不锈钢盘取出，在盘中初步捣碎料块后，刮下盘壁上粘料混均，加入打粉机粉碎。再将粉料装入匣钵中，每加入半勺，铺平，振实，即将加满时称重，料重控制在620 ±3g.压实后的料面距匣钵上沿1.5cm左右。装好的匣钵送入预烧炉中预烧。
[0015]步骤2)将装好的匣钵放入高温炉预烧，在800?900°C合成2?3小时，将合成好的粉体捣碎按照料:去离子水:无工业酒精=1:0.8:0.08(重量比)加相应的去离子水及无水乙醇到球磨桶中。用行星球磨机球磨1.5小时，倒出混合好的料于不锈钢盘中，开启箱电源，设定上下温度为135°C烘干，关电源，自然冷却待烘干(料浆粒度达到:D50<0.55ym，D90<1.55μηι) ο
[0016]步骤3)将烘干好的预烧粉加入8%(重量比)的PVA水溶液(PVA含量5%)。在8Mpa下压制成素坯，放入高温烧结炉中1250°C烧结2小时。取出后两面磨平，涂敷银钯电极并用120°C烘干后，放入高温炉设置温度为50(TC保温十分钟。
[0017]步骤4)将上完银电极的压电陶瓷片在100°C温度下采用1000V/mm电压极化。
[0018]将极化好的陶瓷片在100°C老化15h，并测试数据得:Kp=0.75，C33=2200，tg9=l.6%，Qm=45，d33=600，正最大相对频率漂移小于0.48%，负最大相对频率漂移小于0.9%。
[0019]实施例三:
在配料前准备好球磨罐及氧化锆球并清洗干净，按照IL尼龙罐1.5kg Φ 3锆球500g粉料比例配备待用。
[0020]步骤I)按照PbxBa1-x(Nil/3Nb2/3)y[Z;r。.53/Ti。.47]z03+aNb205，其中x、y、z均为摩尔比,X=0.88,y=0.024，z=0.976，a为重量比，以PbxBa1-X(Niv3Nb^3)y[Zr。.53/T1.47]z03重量为I计，a=0.35%。
[0021]准备物料，并进行水分测试，测试数据用以修正称量重量。根据修正好的重量数据称重配料，配料时按照四氧化三铅(约1/2)、及锆、钛、铌、碳酸钡、另一半的四氧化三铅的顺序加入到球磨罐中。按照料:去离子水:无工业酒精=1:0.8:0.08(重量比)加相应的去离子水及无水乙醇到球磨桶中。用行星球磨机球磨1.5小时，倒出混合好的料于不锈钢盘中，开启箱电源，设定上下温度为120?150°C，前期每10?15分钟进行搅拌一次直至料浆烘至粘稠状，当料浆烘干至块状不黏手时即为烘干，关电源，自然冷却待烘干(料浆粒度达到:D50<0.55ym，D90<1.55ym)。将冷却后的不锈钢盘取出，在盘中初步捣碎料块后，刮下盘壁上粘料混均，加入打粉机粉碎。再将粉料装入匣钵中，每加入半勺，铺平，振实，即将加满时称重，料重控制在620±3g.压实后的料面距匣钵上沿1.5cm左右。装好的匣钵送入预烧炉中预
/9ti ο
[0022]步骤2)将装好的匣钵放入高温炉预烧，在800?900°C合成2?3小时，将合成好的粉体捣碎按照料:去离子水:无工业酒精=1:0.8:0.08(重量比)加相应的去离子水及无水乙醇到球磨桶中。用行星球磨机球磨2.5小时，倒出混合好的料于不锈钢盘中，开启箱电源，设定上下温度为135°C烘干，关电源，自然冷却待烘干(料浆粒度达到:D50<0.55ym，D90<1.55μηι) ο
[0023]步骤3)将烘干好的预烧粉加入8%(重量比)的PVA水溶液(PVA含量5%)。在15Mpa下压制成素坯，放入高温烧结炉中1350°C烧结2小时。取出后两面磨平，涂敷银电极并用120°C烘干后，放入高温炉设置温度为50(TC保温十分钟。
[0024]步骤4)将上完银电极的压电陶瓷片在100°C温度下采用1100V/mm电压极化。
[0025]将极化好的陶瓷片在100°(:老化2411，并测试数据得:1(?=0.76，033=2400，丨80 =1.6%，Qm=45，d33=620，正最大相对频率漂移小于0.4%，负最大相对频率漂移小于0.8%。
【主权项】
1.一种压电陶瓷材料，其特征组成式为 PbxBa1-x(Ni1/3Nb2/3)y[ZrQ.54/Ti().46]z03+aNb205，其中x、y、z均为摩尔比，0.85彡X彡0.90，0.023彡y彡0.025，0.975彡z彡0.977，a为重量比，以卩1^&13(附1/3恥2/3)7[2^).54/11().46]203重量为1计，0.3%彡3彡0.35%。2.如权利要求1所述的压电陶瓷材料，其特征在于所述组成为Pb0.9QBa0.“Ni V3Nb2/3 ) 0.025 [ Zr0.54/Ti0.46 ] 0.97δ03+0.3%Nb2〇5 ο3.如权利要求1所述的压电陶瓷材料，其特征在于所述组成为Pb0.ssBa0.uUii/3他2/3 )0.024[Zr0.54/T1.46]0.97603+0.31 %Nb2〇5 ο4.一种权利要求1至3任一项所述同时具备的压电陶瓷材料制备方法，其特征在于制备方法包括: 步骤 I)将原材料Pb304、Ti02、Zr02、Ba ⑶3、Ni0、Nb205 按照 PbxBapx(Niv3Nb2Z3)y [Zr。.54/T1.46]z03+aNb205化学计量比称量，加入去尚子水，球磨1.5?2小时倒出烘干； 步骤2)将混合均匀的粉体倒入氧化铝匣钵振实，在800?900°C合成2?3小时，将合成好的粉体捣碎加入去离子水球磨2?4小时倒出烘干； 步骤3)将烘干的粉体压制成素坯在1150°C?1280°C烧结2?3小时，双面磨平，表面覆盖电极； 步骤4)将覆盖电极的压电陶瓷极化，获得具备高容量温度稳定性的压电陶瓷。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤I)中加入Pb3O4时分两批加入，首先加入一半左右Pb304，加完其他材料后再加入剩余Pb304。6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤3)中加入PVA压制素坯，压制素坯压力为5?12Mpa。7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤3)表面覆盖电极为银电极、银钯或银铀电极中的一种。8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤4)极化电压为900V/mm?1500V/mm。9.如权利要求4或8所述的制备方法，其特征在于步骤4)极化温度为80°C?120°C。10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于极化好的压电陶瓷材料需要在100°C老化12?24h。
【文档编号】C04B35/622GK105924166SQ201610272575
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】杨彦辉
【申请人】杨彦辉