专利名称：一种高介电常数软性压电陶瓷材料及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高介电常数软性压电陶瓷材料及制备方法，更确切地说涉及一种高介电常数ε、高压电应变常数d33、低机械品质因数Qm的压电陶瓷材料及其制备方法，主要应用于医学超声和压电电源等方面，属于电子元器件制造技术领域。
背景技术：
近年来，随着计算机技术、信息技术以及微电子技术的快速发展，超声珍断设备也不断朝着小型化、便携式方向发展，这就要求超声探头的尺寸也必须相应地向着微小型方向发展，压电晶片是超声探头的核心元件，超声探头的微小型化，随之而来势必要求压电晶片的性能需要进一步提高，尤其是压电晶片的介电常数要足够大，以满足微小型超声探头的性能要求。另一方面，随着现代引信技术的发展，引信设计中对电源的要求越来越高，引信电源的小型化、高能量密度及长存贮寿命等成为引信特别是小口径引信发展的技术瓶颈；通过试验人们发现，压电陶瓷材料在长贮性、耐高冲击、加工成型方面有其独特的优势，用压电陶瓷制作引信电源，可在发射瞬间高冲击下产生较大的能量，压电换能器产生的能量Eg可表示为Eg＝1/2∈γ∈oshp2g233；式中s-压电材料受力面积；h-压电材料总厚度；p-作用在压电材料上的压强；g33-压电材料的压电常数；∈γ-压电材料的相对介电常数；∈o-真空介电常数；由上式可知，压电材料的相对介电常数越高，压电换能器所产生的能量就越大；然而，目前市场上所能获得的高介电常数压电陶瓷材料有Morgan公司的PZT-5K型压电陶瓷材料，其介电常数ε6200；d33870pc/N；Qm65；TRS公司的HK1型压电陶瓷材料，其介电常数ε6300；d33800pc/N；CTS公司的6500HD型压电陶瓷材料，其介电常数ε6500。本发明的目的正是基于上述这两方面的应用需求而进行的。
发明内容
本发明目的在于提供一种高介电常数、高压电应变常数、低机械品质因素的压电陶瓷材料及其制备方法。
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Ti-Zr)O3系统压电陶瓷材料在准同型相界(MPS)附近有异常突出的介电和压电性能，产生强压电性的主要原因其一，准同型相界处，材料的结构一般是三方和四方相两相共存，三方相有8个可能的极化方向，四方相有6个可能的极化方向，在两相共存的相界处就有14个可能的极化方向，有利于电畴沿电场方向取向；其二，相界处结构中的空位及缺陷较多，在外电场的作用下，电畴易于取向，可出现大的极化性质；其三，三方和四方相两种晶体结构的能量很接近，并且在外界条件变动时，如施加电场或应力，则发生一种结构的扩大，另一种结构的缩小，正是这种结构活动性使得相界附近的组成具有介电性和压电性的极大值。
基于上述原理，本发明旨在通过Sr、Ba和La的掺入改性，目的在于为医学超声和压电电源等应用领域提供一种高介电常数、高d33和低Qm的软性压电陶瓷材料配方和工艺，该材料组成通式为Pb1-y-zSryBaz(Mg1/3Nb2/3)xTimZrnO3+pwt％La2O3；式中0.2＜x＜0.4；0.05＜y＜0.1；0.0＜z＜0.05；0.25＜m＜0.4；0.25＜n＜0.4；0.1＜p＜1.0；在上述配方组成中，x、y、z、m、n为摩尔数，且x+m+n＝1；而La2O3则是以Pb1-y-zSryBaz(Mg1/3Nb2/3)xTimZrnO3为基准外加的重量百分数。
其制备工艺步骤为根据上述配方组成，按化学计量比进行配料，用玛瑙球作为研磨介质，湿法球磨混料6-8小时，湿料烘干后压块合成，压力为80-100Mpa；合成温度在800-850℃保温2-3小时，合成料块经粗粉碎后再用玛瑙球作为研磨介质，湿法球磨24小时，出料烘干后加入1-3wt％PVA(聚乙烯醇)，粘结剂造粒，粘结剂的加入量是以合成的压电陶瓷材料经湿法球磨后烘干粉料为基准加入的。干压成型压力为100-150Mpa，成型坯体在800-850℃保温2-5小时排胶，然后将素坯置于Al2O3坩埚中，在氧化气氛中以2-3℃/分钟的速率升温至1280-1330℃，保温2-3小时烧结，将烧结瓷体加工成φ17×1mm尺寸，经超声清洗后烘干，并置于800-900℃炉温中保持0.5-2小时氧化处理，然后上电极极化和性能测试。烘干后粉料的中位粒径为0.8μm左右，配料时Sr、Ba分别以Sr(Mg1/3Nb2/3)O3和Ba(Mg1/3Nb2/3O3)形式加入，或与La一样由氧化物按化学计量形式加入的。
本发明的优点在于采用本发明的材料配方组成和制备工艺，可以获得介电常数7500、d33850pc/N及Qm为20-30左右的软性高介电常数压电陶瓷材料。其综合性能显然高于背景技术中介绍的Morgam公司和TRS公司所报道的值。
具体实施例方式
下面通过实施例对本发作进一步的描述，以进一步表明本发明实质性特点和显著的进步。
实施例1材料组成为Pb0.90Sr0.09Ba0.01(Mg1/3Nb2/3)0.245Ti0.371Zr0.384O3+0.6wt％La2O3，根据上述配方组成，按化学计量比进行配料1000g，用玛瑙球作为研磨介质，湿法球磨混料6小时，出料烘干后，以80Mpa的压力压块合成，合成条件为850℃保温3小时，合成料块经粗碎后再用玛瑙球作为研磨介质，湿法球磨24小时，粉料的D50为0.8μm，料烘干后加入1-3wt％PVA(聚乙烯醇)，粘结剂造粒，粘结剂的加入量是以合成的压电陶瓷材料经湿法球磨后烘干粉料为基准加入的。干压成型压力为150Mpa，将成型坯体置于排胶炉中，缓慢升温至850℃保温2小时排胶，然后将素坯放入Al2O3坩埚中，加盖后置于氧气氛烧结炉内，以2-3℃/分钟的速率升温至1310℃，保温3小时烧结，将烧结瓷体加工成φ17×1mm尺寸，经超声清洗后烘干，并置于860℃炉温中保持2小时氧化处理，取出后上电极极化和性能测试。压电性能见表一。
表一
表中Kp压电耦合系数tgδ介质损耗实施例2材料组成为Pb0.89Sr0.085Ba0.025(Mg1/3Nb2/3)0.37Ti0.36Zr0.27O3+0.4wt％La2O3，根据上述配方组成，按化学计量比进行配料1000g，用玛瑙球作为研磨介质，湿法球磨混料8小时，出料烘干后，以100Mpa的压力压块合成，合成条件为850℃保温3小时，合成料块经粗碎后再用玛瑙球作为研磨介质，湿法球磨24小时，粉料的D50为0.8μm，料烘干后加入1％PVA粘结剂造粒，干压成型压力为120Mpa，将成型坯体置于排胶炉中，缓慢升温至850℃保温2小时排胶，然后将素坯放入Al2O3坩埚中，加盖后置于氧气氛烧结炉内，以2-3℃/分钟的速率升温至1285℃，保温2小时烧结，将烧结瓷体加工成φ17×1mm尺寸，经超声清洗后烘干，并置于880℃炉温中保持2小时氧化处理，取出后上电极极化和性能测试。压电性能见表二。
表二
权利要求
1.一种高介电常数、软性压电陶瓷材料，其组成特征在于组成式为Pb1-y-zSryBaz(Mg1/3Nb2/3)xTimZrnO3+pwt％ La2O3，式中0.2＜x＜0.4；0.05＜y＜0.1；0＜z＜0.05；0.25＜m＜0.4；0.25＜n＜0.4；0.1＜p＜1.0；x、y、z、m、n为莫尔数，且x+m+n＝1，La2O3是以Pb1-y-zSryBaz(Mg1/3Nb2/3)xTimZrnO3为基准外加的重量百分数。
2.按权利要求1所述的高介电常数软性压电陶瓷材料，其特征在于所述的材料组成为Pb0.90Sr0.09Ba0.01(Mg1/3Nb2/3)0.245Ti0.371Zr0.384O3+0.6wt％La2O3。
3.按权利要求1所述的高介电常数软性压电陶瓷材料，其特征在于所述的材料组成为Pb0.89Sr0.085Ba0.025(Mg1/3Nb2/3)0.37Ti0.36Zr0.27O3+0.4wt％La2O3。
4.制备如权利要求1所述的高介电常数软性压电陶瓷材料的方法，其特征在于工艺步骤是①按权利要求1所述的组成通式进行配料；②湿法球磨混料6-8小时，烘干后压块合成，合成条件为800-850℃保温2-3小时；③合成料块经湿法球磨，烘干加入聚乙烯醇粘结剂造粒，成型压力为100-150Mpa；④成型后坯体在800-850℃保温，2-5小时排胶；⑤然后将素坯置于Al2O3坩埚中，在氧化气氛中于1280-1330℃保温2-3小时烧结；⑥烧结的瓷体置于800-900℃炉温中保持0.5-2小时氧化处理。
5.按权利要求4所述的高介电常数软性压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于合成后经湿法球磨后烘干粉料中位粒径为0.8μm。
6.按权利要求4所述的高介电常数软性压电陶瓷材料的方法，其特征在于配料时Sr、Ba分别以Sr(Mg1/3Nb2/3)O3、Ba(Mg1/3Nb2/3)O3形式引入。
7.按权利要求4所述的高介电常数软性压电陶瓷材料的方法，其特征在于聚乙烯醇粘结剂的加入重量为1-3％，它是以湿法球磨后烘干的粉料重量为基准的。
8.按权利要求4所述的高介电常数软性压电陶瓷材料的方法，其特征在于烧结时的升温速度为2-3℃/分钟。
全文摘要
本发明涉及一种高介电常数软性压电陶瓷材料及制备方法，所提供的压电陶瓷材料组成式为Pb
文档编号C04B35/622GK1793000SQ20051011243
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月30日 优先权日2005年12月30日
发明者周学农, 陈钢, 董显林, 范晓荣 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所