专利名称：高温高灵敏度压电陶瓷材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高温高灵敏度压电陶瓷材料及其制备方法，属陶瓷组成与 制备领域。
背景技术：
振动量的大小反映了物体、设备的运行状况好坏，对振动量的检测，几乎 涉及到每个工程领域。要检测振动就要有振动测量仪，就少不了振动传感器。 能在一定温度下正常工作的压电加速度传感器已被广泛应用于众多重要的科研 和工业部门，来实现对系统的监测。
在石油测井领域，新一代多极阵列声波测井仪器是声波测井的最新技术， 可以测量软、硬地层中充液井孔中的纵波、横波和斯通利波的波速、各种波动 模式的衰减。为了满足我国复杂油气勘探和开发的需要，近年来我国斥巨资直
接请斯仑贝谢测井公司来华服务，并引进了 30多套包括多极子阵列声波成像仪 (MAC、 XMAC)和低频偶极横波测井仪(LFD)在内的成像测井系统，但是对于 高端、先进的测井技术国外却对我国采取严格的保密措施。因此，开发具有我 国自主知识产权的新一代多极阵列声波测井仪，对于我国打破西方发达国家对 测井技术的垄断，大幅度地降低勘探成本，赶超世界测井技术的先进水平具有 重要意义。
目前，中石油和中海油正致力于新一代多极阵列声波测井仪器的研发。用 作接收声波的单极子接收压电换能器是新一代多极阵列声波测井仪器的一种核 心部件。由于测井作业的特殊环境，这类换能器不仅要满足声波测井在声学特 性方面的要求，更重要的是要能够在高温高压下稳定工作。近年来，尽管国内 有少数几家单位也在单极子接收压电换能器方面做了积极的探索，但至今所研 制的压电换能器还存在灵敏度偏低、分辨率不高以及在高温下性能不稳定等突 出问题，不能真正满足井下勘探的使用要求，其关键是缺少能在高温、高压环 境下可长期稳定工作的压电陶瓷材料，因此，高温高灵敏度压电陶瓷材料的研 发己成为新一代多极阵列声波测井仪开发过程中遇到的一个重要技术瓶颈。
3综上所述，高温高灵敏度压电陶瓷材料作为一种关乎国计民生的重要材料， 已被众多科研和工业部门迫切需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温高灵敏度压电陶瓷材料，采用多种钙钛矿 结构化合物的固熔体结构配方
xPbZr03+yPbTi03+zPbNb03+mSrTi03+nLaTi03+awt.%Si02+bwt%Cr203+cw t.%Nb205+dwt.%La203;其中，x=0.4~0.6; y=0.4~0.5; z=0.001 0.05; m=0.0 0.05; n=0.01~0.05; x+y+z+m+n=l; a=0~0.5; b=0~0.5; c=0 0.5; d=0~0.5。
具体制备方法是
以Pb304 (工业纯)、Zr02 (工业纯)、Ti02 (工业纯)、SrC03 (工业纯)、 Nb205 (工业纯)、La203 (化学纯)、Cr203 (化学纯)、Si02 (化学纯)为原料，
按 xPbZr03+yPbTi03+ zPbNb03+mSrTi03+nLaTi03+awt.%Si02+bwt.%Cr203+cwt%Nb205+d wt.%La203 的配比进行称量，其中，x=0.4 0.6; y=0.4~0.5; z=0.001~0.05; m=0.0 ~0.05; n=0.(H~0.05; x+y+z+m+n=l; a=0 0.5; b=0~0.5; c=0 0.5; d=0 0.5;
用去离子水和玛瑙球作为介质，经滚桶球磨6 10h，出料烘干后进行 600°C-700°C/0.5-4h的第一段压块合成，然后，再进行70(TC-卯(TC/0.5-4h的第 二段压块合成，再粉碎经滚桶球磨12 48h、出料烘干、加粘结剂、成型(成型 压力为150MPa -200MPa)、排塑、烧结(126(TC-132(TC/l-4h)、冷加工、超声清 洗、上电极、极化(120。C-200。C， 3-7kv/mm,10-60min)、老化处理等工艺，最后 进行相关性能测试，即可得到供使用的压电陶瓷元件。
本发明的效果是获得了一种综合性能非常优良的压电陶瓷材料，其材料
标准片的主要性能为d33=500pC/N， e33T/s。=1800， g33=31.4、 tgS=1.5， Kp=0.62、 Qm=60,Tc=352°C， pv(200°C) =7.8xl08Q'cm;本发明材料具有使用温度高(可达 200°C)、灵敏度(g33=31.4)高、接收信号强，稳定性好的特点。
具体实施例方式
下面通过实施例进一步阐明本发明的具体制备和材料的特点。 实施例1
以Pb304 (工业纯)、Zr02 (工业纯)、Ti02 (工业纯)、SrC03 (工业纯)、Nb205 (工业纯)、La203 (化学纯)、Cr203 (化学纯)、Si02 (化学纯)为原料， 按 0.53PbZrO3+0.38PbTiO3+ 0.01PbNbO3+0.05SrTiO3+0.03LaTiO3+0.05wt.%SiO2+0.04wt.%Cr2O3+0.03wt.%Nb2 Os的化学计量称量，用去离子水和玛瑙球作为介质，经滚桶球磨8h，出料烘干 后进行650°C/2h的第一段压块合成，再进行85(TC/2h的第二段合成，经粉碎后 滚桶球磨24h、出料烘干、加粘结剂、成型(成型压力为150MPa)、排塑(80(TC/lh)、 烧结(130(TC/2)、冷加工、超声清洗、氧化处理、上电极、极化(18(TC， 3.5kv/mm,30min)、老化处理(200°C/2h)等工艺，最后进行相关性能测试。材 料标准片的主要性能是d33=485pC/N， s33T/e。=1850， g33=29.6、 tgS=1.8， Kp=0.61、 Qm=65、 Tc=343°C, pv(200°C;)=2.3xl08Q-cm;
实施例2
以Pb304 (工业纯)、Zr02 (工业纯)、Ti02 (工业纯)、SrC03 (工业纯)、 Nb205 (工业纯)、La203 (化学纯)、Cr203 (化学纯)、Si02 (化学纯)为原料， 制 备 工 艺 同 实 施 例1 ，按 照
5wt.%Cr203 +0.04^.%1^203的化学配方进行制备。得到材料标准片的主要性能 是d33=492pC/N， s33T/s。=1824， g33=30.5、 tg5=1.7, Kp=0.615、 Qm=63，Tc=348°C， pv(200。C)=4.7xl08Q,cm;
实施例3
以Pb304 (工业纯)、Zr02 (工业纯)、Ti02 (工业纯)、SrC03 (工业纯)、 Nb205 (工业纯)、La203 (化学纯)、Si02 (化学纯)为原料，制备工艺同实施例 1 ， 按 照
0.53PbZrO3+0.425PbTiO3+0.005PbNbO3+0.01SrTiO3+0.03LaTiO3+0.05wt.%SiO2+0 .04wt.%Nb2O5+0.05wt.%La2O3的化学配方进行制备。材料标准片的主要性能是 d33=500pC/N、 e33T/s。=1800、 g33=31.4、 tg5=1.5、 Kp=0.62、 Qm=60、 Tc=352°C、 pv(200°C)=7.8xl08Q.cm;
表l本发明与现有技术比较
材料 来源材料 名称性能
d33(PC/N) S33t/e0tanS(%)g33KpQm
5本发明P53500l謹1.531.40.6260
美国Morgan Matroc公司PZT5R45019502.0250.64580
美国Morgan Matroc公司PZT5A37417002.024.80.6075
美国Morgan Matroc公司PZT5B40520002.022.90.6075
香港功能陶瓷有限公司PSN-5140016002.0240.6090
香港功能陶瓷有限公司Plis-5155020002.0280,65卯
Gsram Tec公司SonoxP545018502.027.50.6290
权利要求
1、高温高灵敏度压电陶瓷材料，其组成式为xPbZrO3+yPbTiO3+zPbNbO3+mSrTiO3+nLaTiO3+awt.％SiO2+bwt.％Cr2O3+cwt.％Nb2O5+dwt.％La2O3；其中，x＝0.4～0.6；y＝0.4～0.5；z＝0.001～0.05；m＝0.0～0.05；n＝0.01～0.05；x+y+z+m+n＝1；a＝0～0.5；b＝0～0.5；c＝0～0.5；d＝0～0.5。
2、 按权利要求l所述的高温高灵敏度压电陶瓷材料的制备方法，包括下述 步骤(1) 以Pb304、 Zr02、 Ti02、 SrC03、 Nb205、 La203、 Cr203、 Si02为原料，按xPbZr03+yPbTi03+zPbNb03+mSrTi03+nLaTi03+awt.%Si02+bwt%Cr203+cwt%Nb205+dwt.%La203 的配比进行称量，其中，x=0.4 0.6; y=0.4^0.5; z=0.001~0.05; m=0.0 ~0.05; n=0.01~0.05; x+y+z+m+n=l; a=0~0.5; b=0~0.5; c=0 0.5; d=0~0.5;(2) 用去离子水作为介质，经球磨6 10h，出料烘干后压块合成，粉碎、 烘干、成型、排塑、烧结。
3、 按权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的压块合成条件为先 进行60(TC-70(TC/0.5-4h的第一段压块合成，然后，再进行700°C-900°C/0.5-4h的第二段压块合成。
4、 按权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述的成型压力为 150MPa -200MPa。
5、 按权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述的烧结条件为 126(TC-1320。C保温l-4h。
全文摘要
本发明涉及一种高温高灵敏度压电陶瓷材料及其制备方法，属陶瓷组成与制备领域。本发明的其组成式为xPbZrO<sub>3</sub>+yPbTiO<sub>3</sub>+zPbNbO<sub>3</sub>+mSrTiO<sub>3</sub>+nLaTiO<sub>3</sub>+awt.％SiO<sub>2</sub>+bwt.％Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+cwt.％Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>+d wt.％La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>；其中，x＝0.4～0.6；y＝0.4～0.5；z＝0.001～0.05；m＝0.0～0.05；n＝0.01～0.05；x+y+z+m+n＝1；a＝0～0.5；b＝0～0.5；c＝0～0.5；d＝0～0.5。本发明在传统压电陶瓷工艺基础上进行改进制备，主要性能为d<sub>33</sub>＝500pC/N，ε<sub>33</sub><sup>T</sup>/ε<sub>o</sub>＝1800，g<sub>33</sub>＝31.4、tgδ＝1.5，Kp＝0.62、Qm＝60，Tc＝352℃，ρ<sub>v</sub>(200℃)＝7.8×10<sup>8</sup>Ω·cm；本发明材料具有使用温度高(可达200℃)、灵敏度(g<sub>33</sub>＝31.4)高、接收信号强，稳定性好的特点。
文档编号C04B35/49GK101456732SQ20081020522
公开日2009年6月17日 申请日期2008年12月31日 优先权日2008年12月31日
发明者烈 姚, 张仲猷, 朱怀志, 李玉臣, 董显林 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所