专利名称：高性能镧掺杂铌锌酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法
技术领域：
本发明是关于镧掺杂铌锌酸铅-锆钛酸铅(PZN-PLZT)压电陶瓷的制备方法，尤其涉及一种具有改进极化工艺的PZN-PLZT压电陶瓷的制备方法。
背景技术：
压电陶瓷是一种实现机械能与电能相互转化的功能陶瓷材料，它既具有铁电陶瓷的一般性能，又具有独特的压电性能。压电陶瓷材料由于具有独特的压电性能，优异的机电耦合性能及介电性和弹性性能，且制备工艺简单、体积小、不受电磁干扰、成本低等特点，因此在航天、信息、生物、精密仪器等高新技术领域及工业生产中都得到了广泛应用。压电陶瓷的应用主要分两个方面压电振子和换能器。在压电振子应用方面，主要是振荡器、谐振器、滤波器、延迟线、变压器等。压电陶瓷变压器是20世纪50年代开始研制的一种新型压电器件，具有升压比高、重量轻、体积小、驱动电压低、无泄漏电磁场等优点，目前压电变压器已用于电子计算机显示设备、雷达显示器、扫描电子显微镜、静电除尘、 离子发生器和压电材料的极化等所需高压设备中。在换能器应用方面，主要是传声器、超声换能器、测量仪器等。在科学和工农业生产等各个方面需要把检测到的非电学量信息变成电学量，以便于放大、运算、传送记录和显示，能完成这种转换的主要器件是以固体元件为主的电子传感器。用压电陶瓷制成的测量和感知各种物理量及其变化的传感器，则是最佳的选择，压电传感器也已经成为各种检测仪器和控制系统的关键部件。主要有压电陀螺、压电加速度计、压电陶瓷流量计、压电电子称、压电计数器、结霜传感器、表面粗糙度测量仪、 摆钟综合测试仪和磨削接触检测仪等。PZN-PZT三元压电陶瓷材料以其高的致密度，优良的绝缘性能，及优异的压电性， 而被广泛研究和应用。人们主要是从配方和工艺两个方面，去调节PZN-PZT的压电等综合性能。配方主要是通过“软性”或“硬性”掺杂，从而使材料获得较高的压电性能或获得高的机械品质因数及小的介电损耗。本发明旨在获得高的压电性能，所以选择镧掺杂(“软性” 掺杂)的配方。工艺一般是从球磨、合成、成型、烧结、极化等方面去改善材料的性能。众所周知，PZN-PLZT陶瓷烧成后，是一种铁电体，铁电畴取向混乱，没有剩余极化，所以不具有压电性能，它只有通过一个特殊的工艺——极化后才具有独特的压电性能。所谓极化，就是在一定条件下在压电陶瓷的两端加上一定大小的直流电场，压电陶瓷中的原本杂乱取向的铁电畴沿外加的直流电场取向，即使在外加电场去掉后，仍会在极化方向(外加电场方向)产生一定大小的剩余极化，从而使压电陶瓷具有压电性能。可以看出，极化工艺对压电陶瓷的压电性能等具有显著的影响，因此极化工艺是压电陶瓷制备工艺中的重点。
发明内容
本发明的目的是在现有技术的基础上，提供一种获得更高压电性能的PZN-PLZT 压电陶瓷的制备方法。本发明通过以下技术方案予以实现
(1)配料将原料 Pb304、Zn0、Nb205、&02、Ti02、Lei2O3 按 0. 25Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-O. 75Pb。.95La0 05 ( ^ 。^!!。.。。.■(^化学计量比配料，于球磨罐中混料，球料水的重量比为2 1 0.5, 球磨时间为3h，再将原料烘干；(2)合成将步骤(1)烘干后的粉料放入氧化铝坩埚内，加盖密封，于900°C合成池；(3)成型及排塑将步骤O)的合成料再次球磨、烘干，外加7wt%的聚乙烯醇水溶液进行造粒，过筛后在400Mpa的压强下压制成型为坯体；然后以3°C /min的速率将坯体升温至200°C，再以1. 5°C /min速率从200°C升至400°C，在400°C保温30min后，以5°C /min的速率升至 650°C并保温lOmin，排出有机物；(4)烧结将步骤C3)排出有机物的坯体采用锆钛酸铅粉料埋烧，以6°C /min速率升温至 1270°C，保温浊，随炉冷却；(5)烧银将步骤⑷烧结好的压电陶瓷片打磨至厚度为0. 9 1. 1mm，采用丝网印刷工艺在其上、下表面印刷银浆，置于加热炉中，升温至735°C并保温lOmin，自然冷却至室温；(6)极化将步骤(5)的烧银制品，置于60°C 180°C的硅油中，施加lKV/mm 3. 3KV/mm的直流电场，极化anin 40min，再将施加电场状态的制品放入处于室温的硅油中急冷，然后去除电场；(7)测试压电性能将步骤(6)极化处理的压电陶瓷片，于室温下静置24h后测试其压电性能。所述步骤(1)的球磨介质为去离子水和玛瑙球，球磨机的转速为750r/min。所述步骤(3)的聚乙烯醇水溶液的聚乙烯醇含量为7wt%。所述步骤(3)的坯体为直径12mm，厚度1. 2mm 1. 4mm的圆片状坯体。所述步骤(6)优选的的极化条件为在140°C硅油中，施加2KV/mm直流电场，极化 IOmin0本发明的有益效果是，通过改进PZN-PLZT压电陶瓷的极化工艺，即在去除电场前增加一个快速降温的过程，并通过极化条件的调整，显著提高了其压电性能，d33 = 550 600pC/N，Kp = 0. 59 0. 64。该配方压电陶瓷的一般极化性能为d33 ^ 570pC/N，Kp ^ 0. 60。
具体实施例方式本发明采用市售的化学纯原料(纯度彡99% )，为Pb3O4、ZnO, Nb2O5, ZrO2, TiO2,
L3-2^3 °具体实施例如下(1)配料将原料 Pb304、Zn0、Nb205、&02、Ti02、Lei2O3 按 0. 25Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-O. 75Pb0.95La0.05( Zrc^Ti。』)。.·^化学计量比配料，于球磨中混料，球料水的重量比为2 1 0.5，球
4磨时间为池，再将原料烘干；(2)合成将步骤(1)烘干后的粉料放入氧化铝坩埚内，加盖密封，于900°C合成池；(3)成型及排塑将步骤O)的合成料再次球磨、烘干，外加7wt%的聚乙烯醇水溶液进行造粒，过筛后在400Mpa的压强下压制成型为坯体；然后以3°C /min的速率将坯体升温至200°C，再以1. 5°C /min速率从200°C升至400°C，在400°C保温30min后，以5°C /min的速率升至 650°C并保温lOmin，排出有机物；(4)烧结将步骤C3)排出有机物的坯体采用锆钛酸铅粉料埋烧，以6°C /min速率升温至 1270°C，保温浊，随炉冷却；(5)烧银将步骤(4)烧结好的压电陶瓷片打磨至厚度为1mm，采用丝网印刷工艺在其上、下表面印刷银浆，置于加热炉中，升温至735°C并保温lOmin，自然冷却至室温；(6)极化将步骤(5)的烧银制品，在不同的极化条件下进行极化。极化温度为120°C，极化时间为20min，极化电场为lKV/mm、IV/mm、2. 5KV/mm、 3KV/mm、3. 3KV/mm，分别记为实施例 1-1、1-2、1-3、1-4、1-5。 极化电场为IV/mm，极化时间为20min，极化温度为60 °C >80 V、100 V、140 V、 160°C、180°C，分别记为实施例 2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6。极化电场为2KV/mm，极化温度为140°C，极化时间为aiiin、5min、10min、30min、 40min，分别记为实施例 3-1、3-2、3-3、3-4、3-5。(7)测试压电性能将步骤(6)极化处理的压电陶瓷片，于室温下静置24h后测试其压电性能，具体测试结果详见表1。表 权利要求
1.一种高性能镧掺杂铌锌酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，具有如下步骤(1)配料将原料 Pb3O4, ZnO, Nb2O5, ZrO2, TiO2, La2O3 按 0. 25Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-O. 75Pb0.95La0.05 (Zr0 5 3Ti。.47)。.98803化学计量比配料，于球磨中混料，球料水的重量比为2 1 0.5，球磨时间为池，再将原料烘干；(2)合成将步骤(1)烘干后的粉料放入氧化铝坩埚内，加盖密封，于900°C合成池；(3)成型及排塑将步骤O)的合成料再次球磨、烘干，外加7wt%的聚乙烯醇水溶液进行造粒，过筛后在400Mpa的压强下压制成型为坯体；然后以;TC /min的速率将坯体升温至200°C，再以 1. 5°C /min速率从200°C升至400°C，在400°C保温30min后，以5°C /min的速率升至650°C 并保温lOmin，排出有机物；(4)烧结将步骤⑶排出有机物的坯体采用锆钛酸铅粉料埋烧，以6°C /min速率升温至 1270°C，保温浊，随炉冷却；(5)烧银将步骤(4)烧结好的压电陶瓷片打磨至厚度为0.9 1. 1mm，采用丝网印刷工艺在其上、下表面印刷银浆，置于加热炉中，升温至735°C并保温lOmin，自然冷却至室温；(6)极化将步骤(5)的烧银制品，置于60°C 180°C的硅油中，施加lKV/mm 3. 3KV/mm的直流电场，极化anin 40min，再将施加电场状态的制品放入室温的硅油中急冷，然后去除电场；(7)测试压电性能将步骤(6)极化处理的压电陶瓷片，于室温下静置24h后测试其压电性能。
2.根据权利要求1的高性能镧掺杂铌锌酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的球磨介质为去离子水和玛瑙球，球磨机的转速为750r/min。
3.根据权利要求1的高性能镧掺杂铌锌酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的聚乙烯醇水溶液的聚乙烯醇含量为7wt%。
4.根据权利要求1的高性能镧掺杂铌锌酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的坯体为直径12mm，厚度1. 2mm 1. 4mm的圆片状坯体。
5.根据权利要求1的高性能镧掺杂铌锌酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)优选的的极化条件为在140°C硅油中，施加2KV/mm直流电场，极化 IOmin0
全文摘要
本发明公开了一种高性能镧掺杂铌锌酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，步骤为(1)按0.25Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.75Pb0.95 La0.05(Zr0.53Ti0.47)0.988O3化学计量比配料；(2)合成；(3)成型及排塑；(4)烧结；(5)烧银；(6)极化，极化温度为60℃～180℃，极化电场为1kV/mm～3.3kV/mm的直流电场，极化时间为2min～40min，再将施加电场状态的制品放入处于室温的硅油中急冷，然后去除电场。本发明通过极化条件的调整，显著提高了其压电性能，d33＝550～600pC/N，Kp＝0.59～0.64。本发明可应用于压电陶瓷驱动器、发射型换能器等对压电性能有较高要求的器件。
文档编号C04B35/491GK102358699SQ201110211600
公开日2012年2月22日 申请日期2011年7月27日 优先权日2011年7月27日
发明者孙清池, 张 林, 王洪杰, 王耐清, 马卫兵 申请人:天津大学