一种超声发射型换能器用压电陶瓷材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及无机非金属材料【技术领域】，特指一种超声发射型换能器用压电陶瓷材料及其制备方法，其特征在于所述压电陶瓷的配方包括：xBiFeO3-y(Pb0.90Ba0.05Sr0.05)(Zr0.54Ti0.46)O3+0.01~0.6wt.%Cr2O3+0.01~0.7wt.%MnO2+0.01~0.9wt.%Fe2O3+0.01~6wt.%(0.15B2O3-0.125Bi2O3-0.45CdO)玻璃粉；其中，0.005≤x≤0.2mol，x+y=1；其中BiFeO3、(Pb0.90Ba0.05Sr0.05)(Zr0.54Ti0.46)O3、BBC玻璃粉分别是采用常规的化学原料以固相法合成。本发明采用常规的固相法压电陶瓷的制备方法，利用普通化学原料,制备得到高稳定高压电性能压电陶瓷，该压电陶瓷适合于制备超声发射型换能器。
【专利说明】一种超声发射型换能器用压电陶瓷材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无机非金属材料【技术领域】，特指一种超声发射型换能器用压电陶瓷材料及其制备方法，它采用常规的固相法压电陶瓷的制备方法，利用普通化学原料，制备得到高稳定高压电性能压电陶瓷，该压电陶瓷适合于制备超声发射型换能器。
【背景技术】[0002]压电陶瓷具有优良的压电效应，是功能陶瓷中应用非常广泛的一类，如传感器、换能器、滤波器等，在国民经济和国防工业中发挥着重要的作用，由于无铅压电陶瓷的压电性能与锆钛酸铅基压电陶瓷的压电性能相差很大，目前，制作超声换能器等器件主要是锆钛酸铅基压电陶瓷，有的压电性能好，但是其时间稳定性较差，由于时间的延长，容易产生谐振频率的较大漂移，相对带宽的较大的变化，很难满足高压电性能和高时间稳定性的要求；有的压电性能不太好，有的介电常数较低，有的介质损耗较大，有的机械品质因素较低，满足不了超声发射型换能器等器件的要求；为了改进压电陶瓷材料的性能，常采用两种途径:一是通过在基体材料中加入第三元或第四元以形成新材料来达到改性的目的；二是根据不同掺杂离子对材料性能的影响不同，对材料进行掺杂改性；本发明得到高时间稳定高压电性能的铁酸铋锆钛酸铅三元系压电陶瓷，能用于制备超声发射型换能器等器件；一般情况下，锆钛酸铅压电陶瓷的烧结温度在1260°C~1280°C，本发明的压电陶瓷的烧结温度为100(Tl03(rC左右，这样大大的降低能耗，节约成本，同时能抑制氧化铅的挥发。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是这样来实现的:
一种超声发射型换能器用压电陶瓷，其配方为=XBiFeO3 -y (Pb0.90Ba0.05Sr0.05)(Zra54Tiatt)03+0.01~0.6wt.%Cr203+0.01~0.7wt.%Mn02+0.01~
0.9wt.%Fe203+0.01 ~6wt.%(0.15B203_0.125Bi203_0.45Cd0)玻璃粉(简称:BBC 玻璃粉);其中，0.005 ^ X ^ 0.2 mol, x+y=l ;其中 BiFeO3' (Pba9tlBaaci5Sratl5) (Zra54Tia46)O3 和(0.15B203-0.125Bi203-0.45Cd0)玻璃粉分别是采用常规的化学原料以固相法合成。
[0004]Cr203、MnO2, Fe2O3 和 BBC 玻璃粉的添加量分别为 xBiFe03-y (Pba9tlBaatl5Sra05)(Zr0 54Titl 46) O3 质量的 0.01 ~0.6%、0.01 ~0.7%、0.01 ~0.9% 和 0.01 ~6%。
[0005]所述压电陶瓷的介电常数为1293-1312，机械品质因素(Qni)为1020-1086，径向机电耦合系数(Kp)为0.64-0.67，压电应变常数(d33)为308-325pC/N，谐振频率时间稳定性好,老化200小时后其变化率(丨&)为0.002%-0.004%，介质损耗(tan S )为0.032%-0.043%。
[0006]本发明的压电陶瓷所用的(Pba9tlBaaci5Sratl5) (Zra54Tia46)O3的制备过程包括:将常规的化学原料 Pb3O4' BaCO3> SrCO3> ZrO2 和 TiO2 按照:0.9/3:0.05:0.05:0.54:0.46 的摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于85(T90(TC保温120分钟，固相反应合成(Pba9tlBaaci5Sratl5) (Zr。.54Tia46)O3,冷却后研磨过 200 目筛，备用。
[0007]本发明的压电陶瓷所用的BiFeO3的制备过程包括:将常规的化学原料Bi2O3和Fe2O3按照:1/2:1/2的摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于50(T55(TC保温120分钟，固相反应合成BiFeO3，冷却后研磨过200目筛，备用。
本发明的压电陶瓷所用的(0.15B203-0.125Bi203-0.45Cd0)(简称:BBC)玻璃粉的制备过程包括:将常规的化学原料B203、Bi203和CdO按照0.15:0.125:0.45摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于600°C飞50°C保温120分钟，然后在水中淬冷，固相反应合成BBC玻璃粉，冷却后研磨过200目筛，备用。
[0008]本发明采用常规的固相法陶瓷制备工艺，即首先按配方配料将配合料球磨粉 碎混合，进行烘干后，加入粘合剂造粒，再压制成生坯片，然后在空气中进行排胶和烧
结，经保温并自然冷却后，获得铁酸铋锆钛酸铅三元系压电陶瓷，在陶瓷上被电极，然后极化，老化，测性能。
[0009]上述水中超声发射型换能器用压电陶瓷的配方最好采用下列二种方案: xBiFeOg-y (Pb0 90Ba0 05Sr0 05) (Zra54Tia46)Oj0.05~0.5wt.%Cr203+0.10~0.6wt.%
Mn02+0.08~0.7wt.%Fe203+0.08~5wt.% BBC 玻璃粉；其中，0.008 ≤ x ≤ 0.15 mol,
x+y=lo
[0010]xBiFeOg-y (Pb0 90Ba0 05Sr0 05) (Zr0 54Ti0 46) 03+0.08~0.4wt.%Cr203+0.10~0.5wt.%
Mn02+0.08~0.6wt.%Fe203+0.10~4wt.% BBC 玻璃粉；其中，0.010 ≤ x ≤ 0.10 mol,
x+y=lo[0011]本发明与现有技术相比，具有如下优点:
1、所制备的压电陶瓷的介电常数约为1300左右，机械品质因素(Qni)大于1000，径向机电耦合系数(Kp)为0.65左右，压电应变常数(d33)大于300pC/N，谐振频率时间稳定性好，其变化率(tft)小于0.005% (老化200小时)，介质损耗(tan 8 )小于0.05% ;使用过程中性能稳定性好，安全性高。
[0012]2、本专利的压电陶瓷性能很容易调节，以满足系列超声发射型换能器等器件的要求。
[0013]3、本陶瓷采用常规的固相法压电陶瓷制备工艺即可进行制备，所使用的原料是常规的化学原料，制作成本低；本发明的压电陶瓷的烧结温度为ioo(Tio3(rc，这样大大的降低能耗，节约成本，同时能抑制氧化铅的挥发。
【具体实施方式】
[0014]现在结合实施例对本发明作进一步的描述。表1给出本发明的实施例共4个试样的配方。
[0015]本发明的实施例共4个试样的配方的主要原料采用常规的化学原料，并预先合成BiFeO3' (Pb0.90Ba0.05Sr0.05) (Zra54Tia46)O3和BBC玻璃粉，按上述配方配料、混合，将配好的料用蒸馏水或去离子水采用行星球磨机球磨混合，料:球:水=1:3: (0.6^1.0)，球磨4~8小时后，烘干得干粉料，在干粉料中加入占其重量5~8%的浓度为10%(重量百分比)的聚乙烯醇溶液，进行造粒，混研后过40目筛，再在2(T30Mpa压力下进行干压成生坯片，然后在温度为75(T850°C下保温1~4小时进行排胶，升温速率为5(T10(TC /小时；然后将样品置于氧化铝坩埚中，密闭烧结，烧结温度为100(Tl03(rC，保温时间为f 2小时，即得到陶瓷片；陶瓷片经研磨抛光后两面被覆银电极，并在硅油中135°C左右极化，极化电场为3000飞000伏/mm，极化时间为15~20分钟；极化完毕，测试谐振频率，经过老化200小时测试谐振频率，计算谐振频率随时间的变化率(tft);极化完毕，经过老化48小时，测试其他性能。
[0016]上述各配方试样的性能列于表2，从表2可以看出所制备的压电陶瓷的介电常数(e )约为1300左右，机械品质因素(Qni)大于1000，径向机电耦合系数(Kp)为0.65左右，压电应变常数(d33)大于300pC/N，谐振频率时间稳定性好，其变化率(tft)小于0.005% (老化200小时)，介质损耗(tan 8 )小于0.05%。
表1本发明的实施例共4个试样的配方
【权利要求】
1.一种超声发射型换能器用压电陶瓷，其特征在于所述压电陶瓷的配方为:xBiFeOg-y (Pb0.9(lBa0.Q5Sr0.05) (Zrch54Tich46 ) 03 + 0.01 ~0.6wt.%Cr203+0.01 ~0.7wt.%MnO2+0.01 ~0.9wt.%Fe203+0.01 ~6wt.%(0.15B203-0.125Bi203-0.45CdO)玻璃粉；其中，0.005 ^ X ^ 0.2 mol, x+y=l ；其中 BiFe03、(Pb0.90Ba0.05Sr0.05) (Zr0.54Ti0.46) O3 和(0.15B203-0.125Bi203-0.45Cd0)玻璃粉分别是采用常规的化学原料以固相法合成；Cr203、Mn02、Fe203 和 BBC 玻璃粉的添加量分别为 XBiFeO3I(Pba9tlBaatl5Sra05) (Zra54Tia46) O3 质量的0.0T0.6%、0.0T0.7%、0.0r0.9% 和 0.01~6%。
2. 如权利要求1所述的一种超声发射型换能器用压电陶瓷，其特征在于:所述压电陶瓷的介电常数为1293-1312，机械品质因素(Qm)为1020-1086，径向机电耦合系数(Kp)为0.64-0.67，压电应变常数(d33)为308-325pC/N，谐振频率时间稳定性好，老化200小时后其变化率(tft)为 0.002%-0.004%，介质损耗(tan 5)为 0.032%-0.043%。
3.如权利要求1所述的一种超声发射型换能器用压电陶瓷，其特征在于:所述的(Pb0.90Ba0.05Sr0.05) (Zra54Tia46)O3 的制备过程如下:将常规的化学原料 Pb304、BaCO3> SrCO3>ZrO2和TiO2按照:0.9/3:0.05:0.05:0.54:0.46的摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于85(T900°C保温120分钟，固相反应合成(Pb0.90Ba0.05Sr0.05) (Zra54Tia46)O3，冷却后研磨过200目筛，备用。
4.如权利要求1所述的一种超声发射型换能器用压电陶瓷，其特征在于:所述的BiFeO3的制备过程如下:将常规的化学原料Bi2O3和Fe2O3按照:1/2:1/2的摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于50(T550°C保温120分钟，固相反应合成BiFeO3，冷却后研磨过200目筛，备用。
5.如权利要求1所述的一种超声发射型换能器用压电陶瓷，其特征在于:所述的(0.15B203-0.125Bi203-0.45Cd0)玻璃粉的制备过程如下:将常规的化学原料B2O3'Bi2O3和CdO按照0.15:0.125:0.45摩尔比配料，研磨混合均匀后放入氧化铝坩埚内于6000C~650°C保温120分钟，然后在水中淬冷，固相反应合成BBC玻璃粉，冷却后研磨过200目筛，备用。
6.如权利要求1所述的一种超声发射型换能器用压电陶瓷，其特征在于所述压电陶瓷的配方为:XBiFeO3I(Pba90Baa05Sraci5) (Zra54Tia46)Oj0.05~0.5wt%Cr203+0.10~0.6wt%MnO2
+0.08~0.7wt%Fe203+0.08~5wt% BBC 玻璃粉;其中，0.008 ^ x ^ 0.15 mol, x+y=l。
7.如权利要求1所述的一种超声发射型换能器用压电陶瓷，其特征在于所述压电陶瓷的配方为:xBiFe03-y (Pb0 90Ba0 05Sr0 05) (Zra54Tia46)Oj0.08~0.4wt%Cr203+0.10~0.5wt%Mn02
+0.08~0.6wt%Fe203+0.10~4wt%BBC 玻璃粉;其中，0.010 ^ x ^ 0.10 mol, x+y=l。
8.如权利要求1所述的一种超声发射型换能器用压电陶瓷的制备方法，其特征在于包括如下步骤:采用常规的化学原料，并预先合成BiFe03、(Pb0.90Ba0.05Sr0.05) (Zra54Tia46)O3和BBC玻璃粉，按配方配料、混合，将配好的料用蒸馏水或去离子水采用行星球磨机球磨混合，料:球:水=1:3:(0.6~1.0)，球磨41小时后，烘干得干粉料，在干粉料中加入占其重量5~8%的浓度为10被％的聚乙烯醇溶液，进行造粒，混研后过40目筛，再在2(T30Mpa压力下进行干压成生坯片，然后在温度为75(T85(TC下保温f 4小时进行排胶，升温速率为5(noo°c /小时；然后将样品置于氧化铝坩埚中，密闭烧结，烧结温度为ioo(Tio3(rc，保温时间为1~2小时，即得到陶瓷片。
【文档编号】C04B35/491GK103524129SQ201310462475
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】黄新友, 李军, 高春华 申请人:江苏大学