专利名称：锆钛酸钡钙基压电陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高压电性能的锆钛酸钡钙基压电陶瓷及其制备方法，属于电 子陶瓷领域。
技术背景压电陶瓷在外加电场作用下可以产生应变，同时，在外力作用下，压电陶 瓷会在两极产生电荷，因此被广泛的应用于换能器、微位移器、传感器、谐振 器及滤波器等领域。文献"Shoufu Shao， Jialiang Zhang, Zong Zhang, Peng Zheng, Minglei Zhao, Jichao U and Chunlei Wang, High piezoelectric properties and domain configuration in BaTi03 ceramics obtained through the solid—state reaction route, J, Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 125408"采用传统的 固相合成方法制备了高性能的无铅压电陶瓷，使钬酸钡的压电性能得到了大大 的提高。然而他们的烧结工艺却非常复杂，高性能的钬酸钡陶瓷必须在较窄的 温度范围内烧成，严重的制约了其大批量的生产以及产品的工艺稳定性。而目 前通用的解决方案是加入其他钙钬矿成分来调节其压电性能和工艺性能。 发明内容为了克服现有技术中高性能钛酸钡陶瓷工艺性能差等问题，本发明提供一 种高压电性能的锆钛酸钡钙基压电陶瓷，采用钛酸钓和锆酸钡与钛酸钡复合形 成固溶体，使其压电性能和工艺性能都得到了大大的提高。本发明还提供这种锆钛酸钡钙基压电陶瓷的制备方法。本发明的技术方案是敏酸钡钩絲电陶瓷的化学组 式为(l-x-y)BaTi03-xCaTiO「yBaZr03 ， 其中0<x<0.5， 0<y<0.5, x、 y均为摩尔分数。 具体制备方法为(l)将碳酸钡、碳酸钙、二氧化钛、二氧化锆，按化学计量比为 (1-x—y)BaTiQ广xCaTi03-yBaZr03配料，其中0〈x<0. 5， 0<y<0. 5;3(2) 将步骤(1)配好的料放入5求磨机中混料，球/料质量比为2~20,球的 材质为铁球、玛瑙球、氧化锆球和氧化铝球中的一种，球磨的时间为2-14小时， 转速为200 ~ 450转/分钟；
(3) 将步骤(2)混合好的料压块，在1000 140(TC温度下预烧1 3小时， 取出煅烧的料研碎，再次球磨，球磨时间和转速同步骤(2)，然后粉体过40目筛， 球的材质和球/料比同步骤(2);
(4 )将步骤(3)得到的粉体加入其质量比10-45%的纯净水、质量比O. 2 ~ 2°/; 的聚丙烯酸氨分散剂和质量比O. 2 ~ 2°/。的聚乙烯醇粘合剂，经球磨l ~ 3小时混合 均匀而成料浆，球磨速度为50 ~ 300转/分钟，采用气流喷雾造粒，得到颗粒直径 为O. 01 ~ l毫米的锆钬酸钡钓粉体颗粒；
(5)将步骤(4)制得的粉体颗粒放入压机，在200 ~ 900 MPa的压力下压制 出圆片或者方片;，
(6 )将步骤(5)成型的圓片或者方片放入烘箱中12(TC烘l ~ 6小时成为素 片，然后将烘千的素片放入炉中排胶，升温速率在25 500。C时为30 9(TC /h， 500 80(TC时为90 12(TC/h,并分别在270。C、 360°C、 500。C及800。C保温1 ~ 4小时，随炉冷却；
(7 )将步骤(6)得到的素片放入烧结炉中，以2 ~ 12。C/分钟的升温速率升至 1200 - 150(TC，保温1-8小时，然后随炉冷却，烧结完成后取出，涂敷低温银 浆，500 ~ 800'C保温0. 2-1. 5小时制成电极;
(8)将步骤(7)制得的瓷片浸入25 85。C硅油中极化10 60分钟，极化电 场为O. 1 ~4kV/mm0
本发明的有k效果是由于采用了钛酸钓和锆酸钡与钛酸钡形成了固溶体， 减少了制备工艺对压电性能的影响，并形成了一个三方-四方相界。在相界附近， 压电性能得到了大大的增强，同时该方法也能有效的降低了压电陶瓷的矫顽场， 使极化；艺简单易行。本发明可制备不同压电、介电性能的无铅压电陶瓷，从 而满足不同领域的使用需求；该压电陶乾成分筒单，成本低廉，工艺流程简单， 重复性好，设备要求低，使得生产成本低廉，适合大规模、批量化生产。本发 明所得到的电学参数为，压电常数d33为200 - 750pC/N,平面耦合机电系数k。为 0.15 ~ 0.65,品质因数Qm为110 ~ 1400,厚度机电耦合系数kt为O. 20 ~ 0. 86。
图1为本发明实施例l锆钛酸钡钙陶瓷的X射线图谱。图2为本发明实施例2锆钛酸钡钩陶瓷的扫描电镜图片。 图3为本发明实施例3锆钛酸钡钙陶瓷的扫描电镜图片。
具体实施方式
实施例l:
用分析纯级质量百分比含量为99. 9%的碳酸钡、质量百分比含量为99. 8%的 碳酸钙、质量百分比含量为98. 0%的二氧化钛、质量百分比含量为99. 0%的二氧 化锆，按化学计量比为O. 76BaTiO厂0. 12CaTi03-0. 12BaZr03进行称量配料。将配 好的料放入球磨机中按氧化锆球:料为10: l的比例混料，混料过程中不加入其他 介质。球磨的时间为6小时，转速为400转/分钟，混合好的料压块在1250。C温度 下预烧2小时，取出煅烧的料研碎，再球磨6小时后过40目筛，球磨转速为400转 /分钟；将粉体加入其质量比32°/。的纯净水、.质量比l. 2%的聚丙烯酸氨分散剂和 质量比O. 8%的聚乙烯醇粘合剂，经球磨2小时混合均匀而成料浆，球磨速度为IOO 转/分钟，采用气流喷雾造粒；粉体颗粒-文入压机中，在450MPa压力下得到直径 15毫米厚度1.2毫米的圆片；》欠入烘箱中120。C烘10小时成为素片，然后将烘干 的素片放入炉中排胶，升温速率在25 ~ 500。C时为30。C/h， 500 ~ 800。C时为100。C /h，并分别在270。C、 36(TC、 500。C及800。C保温2小时，随炉冷却；排完胶的素 片放入烧结炉中，升温速率为5。C/分钟，在1350。C烧结，而后随炉冷却。烧结 完成后取出，涂敷中温银浆，在80(TC保温0. 5小时成为电极，在25。C的硅油中 极化10分钟，极化电场为lkV/隨。采用该方法得到的锆钛酸钡4丐陶资压电常数 (133为527 pC/N，平面耦合机电系数kp为O. 54，品质因数Qm为721,厚度机电耦合 系数kt为O. 67。图l给出了锆钬酸钡钩陶瓷的X射线图语。
实施例2:
用分析纯级质量百分比含量为99. 9°/。的碳酸钡、质量百分比含量为99. 8°/。的 碳酸钩、质量百分比含量为98. 0°/ 的二氧化钛、质量百分比含量为99. 0°/。的二氧 化锆，按化学计量比为O. 75BaTiO3-0. 15CaTiO厂0. 1BaZr03进行称量配料。将配好 的料放入球磨机中按氧化锆球:料为15: l的比例混料，混料过程中不加入其他介 质。球磨的时间为6小时，转速为350转/分钟，混合好的料压块在125(TC温度下 预烧2小时，取出煅烧的料研碎，再球磨6小时后过40目筛，球磨转速为350转/ 分钟；将粉体加入其质量比30°/ 的纯净水、质量比l. l"/。的聚丙烯酸氨M剂和质 量比O. 9%的聚乙烯醇粘合剂，经球磨2小时混合均匀而成料浆，球磨速度为150
5转/分^K采用气流喷雾造粒；粉体颗粒放入压机中，在500MPa压力下得到直径 15毫米厚度1. 2毫米的圆片；放入烘箱中120'C烘10小时成为素片，然后将烘干 的素片放入炉中排胶，升温速率在25 ~ 500。C时为3(TC/h， 500 ~ 800。C时为10(TC /h，并分别在270。C、 36(TC、 50(TC及80(TC保温2小时，随炉冷却；排完胶的素 片放入烧结炉中，升温速率为10。C/分钟，在1400。C烧结，而后随炉冷却。涂敷 中温银浆，在800。C保温0.5小时成为电极，在25。C的硅油中极化30分钟，极化 电场为l. 5kV/mm。采用该方法得到的锆钛酸钡钙陶瓷压电常数d"为673 pC/N， 平面耦合机电系数kp为O. 64，品质因数(^为558，厚度机电耦合系数kt为O. 77。图 2给出了锆钛酸钡钓陶乾的扫描电镜图片。 实施例3:
用分析纯级质量百分比含量为99. 9%的碳酸钡、质量百分比含量为99. 8%的 碳酸钙、质量百分比含量为98. 0%的二氧化钛、质量百分比含量为99. 0%的二氧 化梏，^化学计量比为0. 74BaTiO3-0. 18CaTi0「0. 08BaZr03进行称量配料。将配 好的料放入球磨机中按氧化锆球:料为8: l的比例混料，混料过程中不加入其他 介质。球磨的时间为6小时，转速为450转/分钟，混合好的料压块在125(TC温度 下预烧2小时，取出煅烧的料研碎，再球磨6小时后过40目筛，球磨转速为450转 /分钟；将粉体加入其质量比40%的纯净水、质量比1%的聚丙烯酸氨分散剂和质 量比1%的聚乙烯醇粘合剂，经球磨2小时混合均匀而成料浆，球磨速度为80转/ 分钟，采用气流喷雾造粒；粉体颗粒放入压机中，在350MPa压力下得到直径15毫 米厚度1.2毫米的圆片；放入烘箱中120。C烘10小时成为素片，然后将烘干的素 片放入炉中排胶，升温速率在25 ~ 500。C时为3(TC/h, 500 ~ 800°C时为IOO'C/h, 并分别在27(TC、 360°C、 500。C及800。C保温2小时，随炉冷却；排完胶的素片放 入烧结炉中，升温速率为7'C/分钟，在1320'C烧结，而后随炉冷却。烧结完成 后取出，.涂敷中温银浆，在800'C保温0. 5小时成为电极，在25。C的硅油中极化 20分钟，极化电场为lkV/ram。釆用该方法得到的锆钛酸钡钓陶乾压电常数(133为 482 pC/N,平面耦合机电系数kp为0.48,品质因数Q^为686，厚度机电耦合系数 kt为O. 59。图3给出了锆钛酸钡钩陶资的扫描电镜图片。
权利要求
1.一种锆钛酸钡钙基压电陶瓷，其特征在于锆钛酸钡钙基压电陶瓷的化学组成通式为(1-x-y)BaTiO3-xCaTiO3-yBaZrO3，其中0＜x＜0.5，0＜y＜0.5，x、y均为摩尔分数。
2. 如权利要求1所述的锆钛酸钡4丐基压电陶瓷的制备方法，其特征在于制 备方法为(1) 将碳酸钡、碳酸钩、二氧化钛、二氧化锆，按化学计量比为 (l-x-y)BaTi03-xCaTi03-yBaZr03配料,其中0<x<0. 5, 0<y<0. 5;(2) 将步骤(l)配好的料放入球磨机中混料，球/料质量比为2~20,球的 材质为铁球、玛瑙球、氧化锆球和氧化铝球中的一种，球磨的时间为2 14小时， 转速为200 ~ 450转/分钟； 、(3) 将步骤(2)混合好的料压块，在1000 ~ 1400。C温度下预烧l ~ 3小时， 取出煅烧的料研碎，再次球磨，球磨时间和转速同步骤(2)，然后粉体过40目筛， 球的材质和球/料比同步骤(2);(4 )将步骤(3)得到的粉体加入其质量比10-45%的纯净水、质量比O. 2 ~ 2% 的聚丙烯酸氨*剂和质量比0. 2 ~ 2%的聚乙烯醇粘合剂，经球磨l ~ 3小时混合 均匀而成料浆，球磨速度为50 - 300转/分钟，采用气流喷雾造粒，得到颗粒直径 为O. 01 ~ l毫米的锆钬酸钡钙粉体颗粒；(5 )将步骤(4)制得的粉体颗粒放入压机，在200 ~ 900 MPa的压力下压制 出圆片或者方片；(6 )将步骤(5)成型的圓片或者方片放入烘箱中12(TC烘1 ~ 6小时成为素 片，然后将烘干的素片放入炉中排胶，升温速率在25 ~ 500。C时为30 ~ 90。C /h， 500 ~ 800匸时为90~ 120°C/h，并分别在270。C、 36(TC、 500。C及800。C保温1 ~ 4小时，随炉冷i卩；(7 )将步骤(6)得到的素片放入烧结炉中，以2 ~ 12。C/分钟的升温速率升至 1200 - 1500°C，保温l-8小时，然后随炉冷却，烧结完成后取出，涂敷低温银 浆，500 ~ 80(TC保温0. 2-1. 5小时制成电极;(8)将步骤(7)制得的瓷片浸入25 85。C硅油中极化10 60分钟，极化电 场为O. l.~4kV/mra。
全文摘要
本发明公开了锆钛酸钡钙基压电陶瓷及其制备方法。锆钛酸钡钙基压电陶瓷的化学组成通式为(1-x-y)BaTiO<sub>3</sub>-xCaTiO<sub>3</sub>-yBaZrO<sub>3</sub>，其中0＜x＜0.5，0＜y＜0.5；x、y均为摩尔分数。将碳酸钡、碳酸钙、二氧化钛、二氧化锆，按化学计量比(1-x-y)BaTiO<sub>3</sub>-xCaTiO<sub>3</sub>-yBaZrO<sub>3</sub>(0＜x＜0.5，0＜y＜0.5；x、y均为摩尔分数)配料，经过球磨、煅烧、二次球磨、造粒、成型、排胶、高温烧结等工序，最终制备具有高压电性能的锆钛酸钡钙基压电陶瓷。本发明方法大大的提高了无铅压电陶瓷体系的压电性能、提高了材料的工艺稳定性，从成分和工艺两方面使钛酸钡体系的无铅压电陶瓷达到了实用化水平。
文档编号C04B35/49GK101648807SQ20091011439
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月14日 优先权日2009年9月14日
发明者刘来君, 周焕福, 亮 方, 曌 杨, 胡长征 申请人:桂林理工大学