专利名称：低温烧结大功率锑锰-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，尤其涉及一种低温烧结大功率锑锰-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，因此电子陶瓷是一种十分关键的电子信息材料，它广泛应用于换能器、振子、变压器、传感器等领域。PZT基的压电陶瓷具有压电性能好、居里温度高、机械性能优良等特点，因此在当今的高性能压电陶瓷中占据主导的地位，但对于PZT基的压电陶瓷来说，其烧结温度大多都在1200°C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。二十世纪九十年代以来，压电陶瓷元器件为了适应集成电路表面组装技术(SMT)的需要，正在向小型化、高性能、多功能和集成化的趋势发展。SMT中采用低温共烧陶瓷(LTCC)技术可以提高组装密度、缩小体积、减轻重量、增加功能、提高可靠性和性能、缩短组装周期，叠层陶瓷复合体是其研究的热点之一。目前实现叠层结构主要有两种方法，一种是先烧成单片然后再粘结成叠层结构，另一种则是多层一次烧成，采用Pt、Pd的贵金属作为内电极，但是成本昂贵，为了降低成本，叠层结构器件一般要求采用导电性能良好、价格较低的Ag作为内电极。由于Ag熔点较低，烧结温度过高会造成银离子向陶瓷层扩散，从而降低了陶瓷材料的绝缘电阻，若能实现压电陶瓷材料的低温烧结则可较好的解决这两方面的问题。目前，实现低温烧结的主要方法有以下几种:(a)采用添加助熔剂来降低烧结温度，(b)通过改善制粉工艺来降低烧结温度，(C)采用热压法来降低烧结温度，(d)采用微波烧结降低烧结温度。其中添加助熔剂来降低烧结温度的工艺最简单，成本最低廉，是一种比较接近工业化生产的方法。通过添加低熔点的化合物在烧结初期形成液相，由于液相烧结中的晶粒重排、强化接触可以提高晶界的迁移率，充分排出气孔，从而促进烧结致密化达到降低烧结温度的目的。本发明基于此目的，选取Pbi ci4(Mnv3Sb2Z3)Zrtl 47Tia48O^0.15wt%SrC03+0.15wt%MnO2压电陶瓷为研究对象，采用传统的固相反应法，选择氧化铜(CuO)作为掺杂离子，研究其对结构、性能的影响，在没有恶化其压电介电性能的前提下降低了陶瓷的烧结温度。
发明内容
本发明的目的，是采用传统的固相合成的制备方法，在现有技术的基础上进一步降低烧结温度，提供一种低的烧结温度、具有良好压电性能的锑锰-锆钛酸铅压电陶瓷。本发明通过以下技术方案予以实现:低温烧结大功率铁电锑锰-锆钛酸铅压电陶瓷，其原料组分及其质量百分比含量为:以 Pbhtl4(Mnv3Sb2iZ3)atl5Zra47Tia48Oj0.15wt%SrC03+0.15wt%Mn02 为基础，夕卜加 xwt.%CuO,其中 x=0.05 1.5 ；上述低温烧结大功率铁电锑锰-锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法:用固相合成的方法，先将基础原料于850°c予烧，最终于900°C 1100°C烧结，保温2h。所述锑锰-锆钛酸压电陶瓷是单一的钙钛矿结构。所述原料为Pb304、ZrO2, TiO2, MnO2, Sb2O3> SrCO3 和 CuO。本发明的有益效果，是实现了低温烧结(将PMS-PZT的烧结温度从1180°C 1240°C降低至900°C、30°C)，并保持了良好的压电性能，添加物CuO单一，价格低廉，符合工业化生产的要求，较低的烧结温度抑制了 PbO的挥发，与其它低温烧结相比，本发明获得的压电陶瓷性能优越，具有很大的市场价值。
图1 是本发明在 900°〇、9251:、10001:、11001:烧结保温211，(:110掺杂量对？1^- 2丁介电损耗tan δ的影响；图2 是本发明在 900°C、925°C、1000°C、1100°C烧结保温 2h，CuO 掺杂量对 PMS-PZT压电系数d33的影响；图3 是本发明在 900°C、925°C、1000°C、1100°C烧结保温 2h，CuO 掺杂量对 PMS-PZT机电耦合系数Kp的影响；图4 是本发明在 900°C、925°C、1000°C、1100°C烧结保温 2h，CuO 掺杂量对 PMS-PZT介电常数4/ 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、ZrO2、TiO2、Mn02、Sb2O3、SrCO3和 Cu。。本发明低温烧结大功率锑锰-锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法如下:(I)配料以 Pbh04 (Mn1/3Sb2/3) Zra47Ti0.4803+0.15wt%SrC03+0.15wt%Mn02 为基础，夕卜力口xwt.%CuO，其中 χ=0.05 1.5，按上述配方，称取原料 Pb304、ZrO2、TiO2、MnO2、Sb2O3、SrCO3 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2:1:0.5,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。(2)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850°C保温2h，自然冷却到室温出炉。(3) 二次球磨按步骤⑴的配方，取x=0.05,0.1,0.5、1、1.5，将CuO加入到步骤⑵烘干的粉料中研磨，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7%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压力下压成圆柱状坯件。(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
1.5°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PMS-PZT粉料做埋料埋烧，升温速度为7V Mn,分别在900°C、925°C、1000°C、1100°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、压电性能。本发明具体实施例详见表I。表I
权利要求
1.一种低温烧结大功率铁电锑锰-锆钛酸铅压电陶瓷，其原料组分及其摩尔百分比含量为Pbhtl4(Mrv3Stv3)aci5Zra47Tia48O3,在此基础上外加质量百分比为0.15wt%SrC03与0.15wt%Mn02，再在上述基础上外加质量百分比为xwt.%CuO，其中x=0.05 1.5。 上述低温烧结大功率铁电锑锰-锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法:采用固相合成的方法，先将基础原料于850°C予烧，最终于900°C 1100°C烧结，保温2h。
2.根据权利要求1的低温烧结大功率锑锰-锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于，所述锑锰-锆钛酸压电陶瓷是单一的钙钛矿结构。
3.根据权利要求1的低温烧结大功率锑锰-锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于，所述原料为 Pb3O4、ZrO2、Ti02、MnO2、Sb2O3、SrCO3 和 CuO。
4.根据权利要求1的低温烧结大功率锑锰-锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于，外力口xwt.%CuO的优选值为x=0.1。
5.根据权利要求1的低温烧结大功率锑锰-锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于，优选的烧结 温度为925°C。
全文摘要
本发明公开了一种低温烧结大功率铁电锑锰-锆钛酸铅压电陶瓷，其原料组分及其质量百分比含量为以Pb1.04(Mn1/3Sb2/3)0.05Zr0.47Ti0.48O3+0.15wt%SrCO3+0.15wt%MnO2为基础，外加xwt.%CuO，其中x=0.05～1.5；本发明采用传统的固相合成方法，于900℃~1100℃烧结。本发明实现了低温烧结，其成分及步骤简单、易于操作、重复性好、成品率高，非常适用于制备单层或多层结构(独石结构)的压电变压器及换能器，具有很大的市场价值。
文档编号H01L41/187GK103145415SQ201210358619
公开日2013年6月12日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者孙清池, 吴涛, 马卫兵, 刘志华, 王丽婧 申请人:天津大学