专利名称：一种高温大功率压电陶瓷的生产方法
技术领域：
本发明涉及用于超声换能器(水声换能器、压电变压器和超声马达等)的压电陶 瓷材料，属于电子材料及元器件领域。
背景技术：
一般说来，超声换能器(水声换能器、压电变压器和超声马达等)对压电陶瓷材料 性能的要求主要是根据其驱动原理及方式而定的，对于工作在谐振状态下的超声换能器来 说，要求压电陶瓷材料满足下列要求高的机械品质因子OU和较小的介质损耗(tan δ)； 在此基础上要求尽可能大的机电耦合系数(Kp)和压电常数(d33)；由于超声换能器在谐振 状态下工作，发热引起温度升高，同时也要求压电陶瓷具有较高的居里温度，以保证超声换 能器能工作在较宽的范围。为此，要求超声换能器用压电陶瓷具有优良的综合机电性能和 高的居里温度。经对现有技术的文献检索发现，公开号为CN1349953的中国专利公开了镉铌-锰 铌-锆-钛酸铅(Pb (Cdl73Nb273) O3-Pb (Mnl73Nb273) O3-PbZrO3-PbTiO3)四元系高居里温度大功 率压电陶瓷，并添加( 进行改性，该陶瓷体系结合镉铌锆钛酸铅系和锰铌锆钛酸铅系的 特点，制备了综合机电性能较好的压电陶瓷，居里温度高达388°C。但该体系的不足之处是 镉是一种有毒元素，被镉污染的空气和食物对人体危害严重，不符合绿色环保的要求，难以 应用，该体系为四元系，并且采用( 进行改性，所用组分较多，生产不易控制，难度较高。 检索中还发现，公开号为CN1061111的中国专利公开了用于压电变压器的铌镁酸铅-铌锰 酸铅-锆酸铅-钛酸铅(Pb (Mgl73Nb273) O3-Pb (Mnl73Nb273) O3-PbZrO3-PbTiO3)四元系压电陶瓷， 对铌镁锆钛酸铅和铌锰锆钛酸铅进行了最佳组合和改性，从而获得在大功率使用下性能优 异的四元系压电陶瓷材料。但该体系的不足之处是居里温度相对较低(350°C )，该体系也 为四元系，并且采用( 和Sr进行改性，所用组分较多，生产难度较高。通过检索现有专利和文献，未发现采用MnA改性铱铌酸铅-锆酸铅-钛酸铅三元 系配方的报导。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题材料所用组分较多，生产难度较高。提供一种具 有高居里温度和良好综合机电性能压电陶瓷的三元系配方，即一种高温大功率压电陶瓷的 生产方法。本发明的技术方案如下锆酸铅-钛酸铅(Xm^r03-(I-X) myri03(x = 0. 52)) 二 元系具有优异的压电性能和高的居里温度TC( 402°C )，铱铌酸铅(Pbabl/2Nbl/2)03) 是一种典型的驰豫铁电材料，在驰豫铁电体系统中，Pb(Ylv2Nbv2) O3具有较高的Tc(300°C)， 并且铱铌酸铅-锆酸铅-钛酸铅((1-x-y) Pb (Yb172Nb172) -xPbZr03-yPbTi03 (ΡΥΝ-ΡΖ-ΡΤ,χ = 0.42，y = 0.48))三元系具有高的Te (395°C )和Kp值0.61。许多研究表明，Mn离子兼 顾“软”性和“硬”性压电陶瓷的特性，同时改善Qm、Kp和d33，Mn离子改性PZT系压电陶瓷能够获得具有良好综合机电性能的大功率压电陶瓷。本发明通过MnA改性铱铌酸铅-锆酸铅-钛酸铅(PYN-PZ-PT)三元系以获得高 温大功率压电陶瓷。该三元系组成(摩尔百分比)为10%Pb (Ybl72Nbl72) , 42.3 % PbZrO3,47. 7% PbTi03。在该三元系的基础上，外加0. 4 0. 6%重量百分比的Μη02。本发明包括以下步骤1)采用原料分析纯的PbO，Yb2O3，Nb2O5，ZrO2, Mn02和化学纯的TW2 ；2)采用两步法合成熟料分别将％203和Nb2O5按化学计量比分别混合球磨；在 IlOO0C的温度下预烧4h合成前驱体；再将这些前驱体和I^bO，ZrO2, TiO2和Μη02混合，在 850°C下保温3h合成PYN-PZ-PT粉料，再经150ΜΙ^干压成型后烧成，烧成制度为1220°C，保 温3h ；3)烧成后的样品经过打磨、抛光成直径10 11mm、厚度0.5mm的圆片，被银后在 120°C的硅油中加电压3 4KV/mm极化30min ；放置Mh。放置24h后测其性能。用谐振一反谐振法测量样品的谐振频率和反谐振频率及相 应的阻抗|z|，计算机电耦合系数Kp和机械品质因子Qm，压电常数d33由准静态法测量。有益效果MnO2改性铱铌酸铅-锆酸铅-钛酸铅三元系为一种新的压电陶瓷体系，可在较宽 的范围内调整其压电性能，并拥有较高居里温度。所提供的优化配方具有较好的综合机电 性能，适用于超声换能器，具有良好的商业价值。
具体实施例方式下面通过实施案例详细分析，进一步说明本发明实施例1:组成(摩尔百分比)%110% Pb (Ybl72Nbl72), 42. 3% PbZrO3,47. 7% PbTiO30 在 该三元系的基础上，外加0. 5%重量百分比的MnO2。分别将％203和Nb2O5按化学计量比分别混合球磨，在1100°C的温度下预烧4h合成 前驱体。再将这些前驱体和PbO，ZrO2, TiO2和Mn02混合，在850°C下保温3h合成PYN-PZ-PT 粉料，再经150MPa干压成型后烧成，烧成制度为1220°C，保温3h。机电性能为=Kp= 0. 58，Qm = 1215，d33 = 356pC/N, tan δ = 0. 0035，Tc = 3780C0 该配方Kp和d33较高，Qm值高于1000，具有良好的综合机电性能，为优选配方。实施例2:组成(摩尔百分比)为110%Pb (Ybl72Nbl72), 42. 3% PbZrO3,47. 7% PbTiO30 在 该三元系的基础上，外加0. 5%重量百分比的MnO2。分别将％203和Nb2O5按化学计量比分别混合球磨，在1100°C的温度下预烧4h合成 前驱体。再将这些前驱体和PbO，ZrO2, TiO2和Mn02混合，在850°C下保温3h合成PYN-PZ-PT 粉料，再经150MPa干压成型后烧成，烧成制度为1220°C，保温3h。机电性能为机电性能为:Kp= 0. 54，Qm = 850，d33 = 312pC/N，tan δ = 0. 0052， Tc = 383 °C。实施例3
组成(摩尔百分比)%110% Pb (Ybl72Nbl72), 42. 3% PbZrO3,47. 7% PbTiO30 在 该三元系的基础上，外加0. 6%重量百分比的MnO2。分别将％203和Nb2O5按化学计量比分别混合球磨，在1100°C的温度下预烧4h合成 前驱体。再将这些前驱体和PbO，ZrO2, TiO2和Mn02混合，在850°C下保温3h合成PYN-PZ-PT 粉料，再经150MPa干压成型后烧成，烧成制度为1220°C，保温3h。机电性能为:Kp= 0. 56, Qm = 1005，d33 = 332pC/N, tan δ = 0. 0042，Tc = 371°C。以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具 体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。
权利要求
1.一种高温大功率压电陶瓷的生产方法，其特征在于通过MnO2改性铱铌酸铅-锆酸 铅-钛酸铅(PYN-PZ-PT)三元系包括以下步骤1)采用原料分析纯的I^bO，Yb2O3,Nb2O5，ZrO2, Μη02和化学纯的TiR ；2)采用两步法合成熟料分别将^2O3和Nb2O5按化学计量比分别混合球磨；在IlOO0C 的温度下预烧4h合成前驱体；再将这些前驱体和I^bO，ZrO2, TiO2和Μη02混合，在850°C下 保温3h合成PYN-PZ-PT粉料，再经150MPa干压成型后烧成，烧成制度为1220°C，保温3h ；3)烧成后的样品经过打磨、抛光成直径10 11mm、厚度0.5mm的圆片，被银后在120°C 的硅油中加电压3 4KV/mm极化30min ；放置Mh。
2.根据权利要求1所述的生产方法，其特征在于所述的步骤幻放置24h后测其性能， 测其性能采用谐振一反谐振法测量样品的谐振频率和反谐振频率及相应的阻抗|Z|，计算 机电耦合系数Kp和机械品质因子Qm，压电常数d33由准静态法测量。
全文摘要
本发明为一种高温大功率压电陶瓷的生产方法，通过MnO2改性铱铌酸铅-锆酸铅-钛酸铅(PYN-PZ-PT)三元系采用原料分析纯的PbO，Yb2O3，Nb2O5，ZrO2、MnO2和化学纯的TiO2；采用两步法合成熟料分别将Yb2O3和Nb2O5按化学计量比分别混合球磨；经1100℃预烧4h合成前驱体；再将其和PbO，ZrO2，TiO2和MnO2混合，在850℃下保温3h合成PYN-PZ-PT粉料，再经150MPa干压成型后烧成，烧成制度为1220℃，保温3h；烧成后的样品经过打磨、抛光成直径10～11mm、厚度0.5mm的圆片，被银后在120℃的硅油中加电3～4KV/mm极化30min；放置24h后测其性能，测其性能采用谐振—反谐振法测量样品的谐振频率和反谐振频率及相应的阻抗|Z|，计算机电耦合系数Kp和机械品质因子Qm，压电常数d33由准静态法测量。本发明所提供的优化配方具有较好的综合机电性能和较高的居里温度，适用于超声换能器，具有良好的商业价值。
文档编号C04B35/622GK102126855SQ20101055068
公开日2011年7月20日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者刘伯洋, 范艳华, 陈海* 申请人:上海海事大学