适用于高温领域的钛镁酸铋-钛酸铅压电陶瓷的制作方法

文档序号:2009422阅读:311来源:国知局
专利名称:适用于高温领域的钛镁酸铋-钛酸铅压电陶瓷的制作方法
技术领域
本发明涉及以成分为特征的陶瓷组合物,尤其涉及钛酸铋-钛酸铅压电陶瓷及其 制备方法。
背景技术
压电陶瓷被广泛应用于通信、家电、航空、探测和计算机等诸多领域,是一类重要 的功能材料。近10年来,随着科学技术的迅猛发展,许多电子电器设备对所选用的压电器 件要求越来越高,使用范围和使用环境要求压电材料具有更大的适应性,在一些特殊领域 高温压电器件的应用已经成为当务之急,如高温物体超声波应用,高温物体的振动,加速 度和压力测定都必需选用高温压电材料。而在汽车和航空工业也都显示需要提供具有比现 有材料更高工作温度的材料,例如在汽车中内置的震动传感器,控制器表面等等。但是,目 前商业化应用的锆钛酸铅体系压电陶瓷的居里温度一般在250 380°C,由于热激活老化 过程,其安全使用温度被限制在居里温度的1/2处。压电性能优良,使用温度低于400°C的 高温压电陶瓷材料已经不能满足当前高新技术发展的要求。此外,商用高温传感器所采用 的压电材料仅限于LiNbO3等单晶材料,生产工艺复杂,价格极其昂贵,而且国内目前尚无性 能优良、使用温度高于350°C的高温压电陶瓷传感器产品。目前,世界各国的材料科学家正 在进行高性能、高居里温度的压电陶瓷材料体系的研究,力图在压电陶瓷材料体系、制备技 术和性能表征等方面有所突破。另外,现在应用的最多最为广泛的仍是Pb&03-PbTi03(PZT)或者以PZT为基体的 二元三元体系。在这些体系中PbO(或Pb3O4)的含量约占原料总量的70%,这类陶瓷在生 产、使用及废弃后处理过程中都会给人类和生态环境造成严重损害。随着社会的进步和发 展,环境问题越来越受到重视。各国都在研究无铅或者少铅的新的压电陶瓷体系。无铅陶 瓷虽然已经成为现在世界上研究的一个热点,但是由于其在压电铁电性能上的局限性,还 远远达不到取代现在主流的PZT压电陶瓷体系的程度。因此,研制新的少铅的高居里点压 电陶瓷体系已成为当今研究热点之一。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种居里温度高、综合性能优异的钛 酸铋-钛酸铅压电陶瓷;本发明采用一次合成、一次烧结的方法,通过MnO2掺杂改性,降低 该体系介电损耗,提高居里温度和压电性能,适应于高温应用领域。本发明通过以下技术方案予以实现。适用于高温领域的钛镁酸铋_钛酸铅压电陶瓷,其原料成分及其摩尔百分比含量为(1-X)Bi (Mg1/2Ti1/2) O3XPbTiO3+α MnO2 (mol % );式中,χ = 0. 32-0. 42,表示 PbTiO3 组分的 摩尔百分比,α为MnO2占原料总量的摩尔百分比。晶体结构为钙钛矿型结构。采用原料为Pb3O4、(MgCO3)4 · Mg(OH)2 · 5H20、TiO2, Bi2O3 和 MnO20
烧结温度为1030°C-1070°C。本发明的有益效果是,提供了一种居里温度高、综合性能优异的钛酸铋-钛酸铅 压电陶瓷;采用一次合成、一次烧结的方法,通过Mn02掺杂改性,降低了该体系介电损耗,提 高了居里温度和压电性能,高温应用潜力巨大,具有实际应用价值。


图1是本发明钛镁酸铋-钛酸铅压电陶瓷未掺杂Mn02样品的XRD图;图2是未掺杂Mn02的PT含量为0. 40样品的d33随热处理温度的变化曲线图。
具体实施例方式本发明采用市售的化学纯原料,为Pb304、(MgC03)4 Mg(0H)2 5H20、Ti02、Bi203和 Mn02。具体制备工艺为(1)以化学计量(1-x) Bi (Mg1/2Ti1/2) 03xPbTi03+ a Mn02 (mol % )配比,将原料球磨, 球料水的重量比为2 1 0.6,球磨时间为4h,然后干燥、研磨、过筛;(2)过筛后的原料放入坩埚内,并用21<)2粉末密封,预烧850°C,保温2h ;预烧后捣 碎为粉料进行二次球磨,然后干燥,研磨,过筛;(3)以质量浓度8%-10%的聚乙烯醇(PVA)作粘合剂,加入到合成后的粉料中,为 5%-7wt% (质量百分比含量),进行造粒;(4)将造粒后的粉料放入直径为15mm不锈钢模具内压片,在200MPa压力下压成 1.0-1. 3mm厚的圆坯片;(5)将坯片放入电阻炉内,经过规定的升温程序至650°C进行排胶;(6)将排胶后的坯片放到坩埚盖上,用相同成分的合成后的粉料进行埋烧,并扣上 坩埚用&02粉末密封,升温烧结,在1030°C -1070°C下保温2h,自然冷却;(7)将烧结后的陶瓷表面打磨光滑,至1mm厚,置于超声波清洗机内清洗30min, 放入烘箱中干燥,然后用丝网印刷在上下表面涂覆银浆,经过规定的升温程序至735°C烧银 后,自然冷却;(8)将烧好银的样品置于硅油中,加热至100°C -150°C,施加电场,强度为3_5kV/ mm,时间为 15-30min。本发明钛镁酸铋-钛酸铅压电陶瓷纯净样品和掺杂Mn02样品的XRD图分别如图1 和图2所示,晶体结构为钙钛矿型结构。使用WAYNEKERR Automatic LCR Meter4225 (中国天津市无线电六厂)自动电桥
分别测量室温状态1kHz频率下试样的电容C及介电损耗tan 6,值由下式计算得出
(对于圆片试样) 式中C-电容,单位pF ;t_试样厚度,单位cm;O -电极直径,单位cm。
压电应变常数d33依据国标GB11309-89,采用中科院声学所的ZJ-3A型准静态d33 测量仪测量;平面机电耦合系数Kp由XFG-7高频信号发生器(上海亚美电器厂)采用传输 线路法测量压电陶瓷试样的谐振频率f;、反谐振频率fa计算,Kp由下式计算得出(对于圆 片试样) 式中Δ f为fa-fr(fr和fa分别为谐振频率、反谐振频率)之值。具体实施例如下实施例1 :x = 0. 36,α =0,配方为 0. 64Bi (Mg1/2Ti1/2) O3-O. 36PbTi0s ;实施例2 :x = 0. 38,α =0,配方为 0. 62Bi (Mg1/2Ti1/2) O3-O. 38PbTi0s ;实施例3 :x = 0· 40,α =0,配方为 0· 60Bi (Mg1/2Ti1/2) O3-O. 40PbTi03 ;实施例4 :x = 0· 42,α =0,配方为 0. 58Bi (Mg1/2Ti1/2) O3-O. 42PbTi03。制备工艺如前所述,预烧温度为850°C,烧结温度1050°C时,制得的钛酸铋-钛酸 铅压电陶瓷系列性能详见表1。表 1 未掺杂MnO2的PT含量为0. 40样品的d33随热处理温度的变化曲线图如图2所示, 350°C时d33可保持在170pC/N,适用于高温领域。实施例 5 :x = 0. 4,α = 0. 50%,配方为 0. 60Bi (Mg1/2Ti1/2)O3O. 40PbTi03+0. 50%
MnO2 (mo);实施例6 :χ = 0. 4, α =1. 00%,配方为 0. 60Bi (Mg1/2Ti1/2) O3O. 40PbTi03+l. 00% MnO2Hio);实施例7 :x = 0· 4,α =1. 50%,配方为 0. 60Bi (Mg1/2Ti1/2) O3O. 40PbTi03+l. 50% MnO2 (mo);实施例8 :χ = 0. 4, α = 2. 00%,配方为 0. 60Bi (Mg1/2Ti1/2)O3O. 40PbTi03+2. 00% MnO2 (mo)。制备工艺如前所述,预烧温度为850°C,烧结温度1050°C时,制得的系列钛酸 铋_钛酸铅压电陶瓷性能详见表2。表2 2003 年 C. A. Randall 等首次选取(l_x)Bi (Mg1/2Ti1/2)03-xPbTi03 体系进行研究, 使用两次合成方法,首先在1400°C下合成MgTi03,然后850°C下合成(l_x)Bi (Mg1/2Ti1/2) 03-xPbTi03体系,烧结采用两次烧结方法,首先在1100°C -1150°C之间烧结,然后在1050°C 下采用热等静压在氩气和氧气氛中烧结,最后得到MPB位于0. 36 < x < 0. 38之间,居里点 在420°C附近,室温的d33达到190pC/N左右,具有比较高的矫顽场E。= 50kV/cm,剩余极化 强度Pr = 38i!C/Cm2。此外,该体系常温下损耗比较大,不利于应用。本发明采用一次合成、一次烧结的方法,通过胞02掺杂改性,降低该体系介电损 耗,提高居里温度和压电性能。本发明提供的居里温度高、综合性能优异的钛酸铋-钛酸 铅压电陶瓷采用传统压电陶瓷制备工艺制备,在1100°c下烧成,且具有优异的压电性能,含 铅量低于42mOl%,350°C时d33可保持在170pC/N,掺杂Mn02后压电陶瓷居里温度Tc可达 520°C,d33为120pC/N,损耗因子tan 6降低至0. 018,高温应用潜力巨大,具有实际应用价 值。
权利要求
一种适用于高温领域的钛镁酸铋-钛酸铅压电陶瓷,其原料成分及其摩尔百分比含量为(1-x)Bi(Mg1/2Ti1/2)O3xPbTiO3+αMnO2(mol%);式中,x=0.32-0.42,表示PbTiO3组分的摩尔百分比,α为MnO2占原料总量的摩尔百分比。
2.根据权利要求1的适用于高温领域的钛镁酸铋-钛酸铅压电陶瓷,其特征在于,其晶 体结构为钙钛矿型结构。
3.根据权利要求1的适用于高温领域的钛镁酸铋-钛酸铅压电陶瓷,其特征在于,采用 原料为 Pb304、(MgC03) 4 Mg (OH) 2 5H20、Ti02、Bi203 和 Mn02。
4.根据权利要求1的适用于高温领域的钛镁酸铋-钛酸铅压电陶瓷,其特征在于,其烧 结温度为 1030°C -1070°C。
全文摘要
一种适用于高温领域的钛镁酸铋-钛酸铅压电陶瓷,属于钙钛矿结构压电陶瓷。本发明可用通式(1-x)Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-xPbTiO3+αMnO2(mol%)表示,式中,x=0.32-0.42,x表示PbTiO3组分的摩尔百分比,α=0-2mol%,α为MnO2占原料总量的摩尔百分比。MnO2为掺杂金属氧化物,可降低此压电陶瓷损耗因子。该压电陶瓷采用传统压电陶瓷制备工艺制备,含铅量低于42mol%,350℃时d33可保持在170pC/N,掺杂MnO2后其居里温度Tc可达520℃,d33为120pC/N,损耗因子tanδ降低至0.018,高温应用潜力巨大,具有实际应用价值。
文档编号C04B35/475GK101857432SQ20101019802
公开日2010年10月13日 申请日期2010年6月11日 优先权日2010年6月11日
发明者刘涛, 孙清池, 张 林, 王耐清, 马卫兵 申请人:天津大学
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