一种高性能压电陶瓷的制备方法与流程

一种高性能压电陶瓷的制备方法
1.本技术为分案申请，原申请的申请号为2020109928923，申请日为2020年9月21日，发明专利名称为：一种高性能压电陶瓷及其制备方法。
技术领域
2.本发明属于压电陶瓷技术领域，具体涉及一种高性能压电陶瓷的制备方法。


背景技术：

3.压电陶瓷材料是一种电能与机械能相互转换的材料，即给压电材料施加一个机械应力，将会在其表面产生电荷，反之，将外加电场施加在压电材料上，压电材料也会产生机械形变。压电陶瓷具有体积小、分辨率高、响应快、推力大等一系列特点，在传感器、执行器、换能器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用。
4.随着移动互联时代的到来，以及伴随着其终端设备小型超薄化、高可靠及低功耗的需求的出现，压电陶瓷的应用领域正在迅速拓宽，同时也对压电陶瓷元器件提出了更高的要求。
5.现有pzt体系的压电陶瓷各项性能指标不能有所突破，导致综合性能无法达到人们需求，应用在高功率、高驱动要求的功率型换能器上时，其功率承受能力不高无法达到使用要求，存在致密性差、功率较低及品质因素一般的问题，很难满足实际需求。因此提供一种高密度、高功率、高效率及高品质因素的高性能压电陶瓷，使其能够应用于高功率焊接，以及渔群探测等极高功率要求的传感器上，已经成为国内外当前研究的重点。


技术实现要素：

6.本发明为了解决现有pzt体系压电陶瓷综合性能一般的技术问题，提供一种高性能压电陶瓷，具有高密度、高功率、高效率、高品质因素的优点，本技术是一种改性的硬性pzt体系压电陶瓷，功率承受能力较高，极其适用于极高功率高驱动要求的功率型换能器，能够广泛用于高功率声波焊接，渔群探测等极高功率要求的传感器上。
7.本发明的另一个目的是提供一种高性能压电陶瓷的制备方法。
8.一种高性能压电陶瓷，所述高性能压电陶瓷的化学通式为：pbnsrm(mg
1/3
nb
2/3
)zzryti
x
o3+g％ceo2+h％pbo+b％cuo+d％nb2o5；
9.n、m、x、y、z表示相应元素的摩尔分数,式中z+y+x＝1,n+m＝1；
10.g％、h％、b％、d％表示相应材料所占pbnsrm(mg
1/3
nb
2/3
)zzryti
x
o3的质量百分比。
11.本技术提供一种高性能压电陶瓷，以pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3为基体，通过添加sr以实现对a位的pb离子的掺杂改性，引起晶格畸变，加速离子扩散，在烧结时起到助熔作用，降低压电陶瓷的烧结温度，提高压电陶瓷的致密度，增大压电陶瓷的介电和压电常数，通过掺杂zr、ti离子，对基体进行改性，利用离子掺杂并烧结得到“三方-正交-四方”多向共存的压电陶瓷结构，该结构能够使得压电陶瓷材料具有超高的压电性能，有助于提升压电陶瓷的致密性，获得高质量的压电陶瓷，同时加入ceo2、cuo、nb2o5可改变了陶瓷中氧空位的浓度和阳
离子空位浓度，在不降低压电常数的情况下提高材料致密性和调控缺陷浓度，而pbo存在很丰富的液相区，加入后在烧结过程中形成少量液相，从而降低烧结温度，减少晶粒间隙，并使得压电陶瓷的致密性提高，本技术相较现有pzt体系压电陶瓷，通过先合成pb(mg
1/3
nb2
/3
)o3再加入pzt系统去实现高密度，具有高密度、高功率、高效率、高品质因素的特点，本技术是一种改性的硬性pzt体系压电陶瓷，功率承受能力较高，综合性能高能够满足人们需求，极其适用于极高功率高驱动要求的功率型换能器，能够广泛用于高功率声波焊接，渔群探测等极高功率要求的传感器上。
12.如上所述的一种高性能压电陶瓷，所述高性能压电陶瓷的化学通式中：0.927≤n≤0.976；0.024≤m≤0.073。通过添加sr以实现对a位的pb离子的掺杂改性，引起晶格畸变，加速离子扩散，在烧结时起到助熔作用，降低压电陶瓷的烧结温度，提高压电陶瓷的致密度，增大压电陶瓷的介电和压电常数。
13.如上所述的一种高性能压电陶瓷，所述高性能压电陶瓷的化学通式中：0.25≤z≤0.25；0.35≤y≤0.35，0.50≤x≤0.60。本技术通过先合成pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3再加入pzt系统去实现高密度，通过掺杂zr、ti离子，对基体进行改性，利用离子掺杂并烧结得到“三方-正交-四方”多向共存的压电陶瓷结构，该结构能够使得压电陶瓷材料具有超高的压电性能，有助于提升压电陶瓷的致密性，获得高质量的压电陶瓷。
14.如上所述的一种高性能压电陶瓷，所述高性能压电陶瓷的化学通式中：0.4≤g≤0.7；0.1≤h≤0.3；0.1≤b≤0.3；0.1≤d≤0.3。加入ceo2、cuo、nb2o5可改变了陶瓷中氧空位的浓度和阳离子空位浓度，在不降低压电常数的情况下提高材料致密性和调控缺陷浓度，而pbo存在很丰富的液相区，加入后在烧结过程中形成少量液相，从而降低烧结温度，减少晶粒间隙，并使得压电陶瓷的致密性提高。
15.如上所述的一种高性能压电陶瓷，所述高性能压电陶瓷的平面机电耦合系数＞0.59，机械品质因素＞1200。
16.如上所述的一种高性能压电陶瓷，所述高性能压电陶瓷的压电常数d33＞350pc/n。
17.如上所述的一种高性能压电陶瓷，所述高性能压电陶瓷的密度＞7.85g/cm3。
18.如上所述的一种高性能压电陶瓷，所述高性能压电陶瓷的介电常数＞1700，介电损耗＜0.006。
19.一种高性能压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
20.1)以pb3o4、mgo、nb2o5为原料，按pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3的配比混匀，在1000℃-1200℃的温度下保温2-4小时合成pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3；
21.2)以pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3、srco3、tio2、zro2、nb2o5、ceo2、pbo、cuo为原料，按pbnsrm(mg
1/3
nb
2/3
)zzryti
x
o3+g％ceo2+h％pbo+b％cuo+d％nb2o5的配比混匀，在850℃-900℃下保温3-4小时后得到pbnsrm(mg
1/3
nb
2/3
)zzryti
x
o3+g％ceo2+h％pbo+b％cuo+d％nb2o5混合粉料；
22.3)将pbnsrm(mg
1/3
nb
2/3
)zzryti
x
o3+g％ceo2+h％pbo+b％cuo+d％nb2o5混合粉料细磨3-4h，再加入5-8wt％的粘结剂、造粒，压成圆片、进行烧结，烧结温度为850-950℃，预烧结的保温时间为2-4h，得陶瓷样品；
23.4)将陶瓷样品进行极化，得到所述高性能压电陶瓷。
24.如上所述的高性能压电陶瓷制备方法，步骤4)中，所述极化步骤包括:在所述陶瓷
样品上被银，并经500-800℃烧银5-10分钟,以镀上电极，将镀上电极的所述陶瓷样品放入硅油或者在空气环境中,施加2-3kv/mm的直流电，以进行极化，极化时间为5-20分钟。优选所述粘结剂为pva。
25.本发明相对于现有技术，有以下优点：
26.本发明提供一种高性能压电陶瓷材料，其化学通式为：pbnsrm(mg
1/3
nb
2/3
)zzryti
x
o3+g％ceo2+h％pbo+b％cuo+d％nb2o5，以pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3为基体，通过添加sr以实现对a位的pb离子的掺杂改性，引起晶格畸变，加速离子扩散，在烧结时起到助熔作用，降低压电陶瓷的烧结温度，提高压电陶瓷的致密度，增大压电陶瓷的介电和压电常数，通过掺杂zr、ti，对基体进行改性，利用离子掺杂并烧结得到“三方-正交-四方”多向共存的压电陶瓷结构，该结构能够使得压电陶瓷材料具有超高的压电性能，有助于提升压电陶瓷的致密性，获得高质量的压电陶瓷，同时加入ceo2、cuo、nb2o5可改变了陶瓷中氧空位的浓度和阳离子空位浓度，在不降低压电常数的情况下提高材料致密性和调控缺陷浓度，而pbo存在很丰富的液相区，加入后在烧结过程中形成少量液相，从而降低烧结温度，减少晶粒间隙，并使得压电陶瓷的致密性提高，本技术相较现有pzt体系压电陶瓷，通过先合成pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3再加入pzt系统去实现高密度，制得的产品具有高密度、高功率、高效率、高品质因素的特点，本技术是一种改性的硬性pzt体系压电陶瓷，功率承受能力较高，综合性能高能够满足人们需求，极其适用于极高功率高驱动要求的功率型换能器，能够广泛用于高功率声波焊接，渔群探测等极高功率要求的传感器上。
27.本技术的高性能压电陶瓷的制备方法，先合成pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3再加入pzt系统去实现高密度，制备工艺简单，制得的产品各项性能指标性能优异，具有高密度、高功率、高效率、高品质因素的特点，能够满足人们需求。
具体实施方式
28.下面对本发明技术作具体说明：
29.结合具体实施例1-4和对比例1(市售pzt体系压电陶瓷)说明本发明的具体技术方案：
30.实施例1：
31.所述高性能压电陶瓷的化学通式为：pb
0.953
sr
0.047
(mg
1/3
nb
2/3
)
0.6
zr
0.25
ti
0.6
o3+0.7％ceo2+0.2％pbo+0.1％cuo+0.25％nb2o5；
32.一种高性能压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
33.1)以pb3o4、mgo、nb2o5为原料，按pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3的配比混匀，在1100℃的温度下保温3小时合成pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3；
34.2)以pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3、srco3、tio2、zro2、nb2o5、ceo2、pbo、cuo为原料，按pb
0.953
sr
0.047
(mg
1/3
nb
2/3
)
0.6
zr
0.25
ti
0.6
o3+0.7％ceo2+0.2％pbo+0.1％cuo+0.25％nb2o5的配比混匀，在850℃下保温4小时后得到pb
0.953
sr
0.047
(mg
1/3
nb
2/3
)
0.6
zr
0.25
ti
0.6
o3+0.7％ceo2+0.2％pbo+0.1％cuo+0.25％nb2o5混合粉料；
35.3)将pb
0.953
sr
0.047
(mg
1/3
nb
2/3
)
0.6
zr
0.25
ti
0.6
o3+0.7％ceo2+0.2％pbo+0.1％cuo+0.25％nb2o5混合粉料细磨4h，再加入7wt％的粘结剂、造粒，压成圆片、进行烧结，烧结温度为850℃，预烧结的保温时间为4h，得陶瓷样品；
36.4)在所述陶瓷样品上被银，并经800℃烧银5分钟,以镀上电极，将镀上电极的所述陶瓷样品在空气环境中,施加2kv/mm的直流电，以进行极化，极化时间为10分钟，得到所述高性能压电陶瓷。
37.实施例2：
38.所述高性能压电陶瓷的化学通式为：pb
0.927
sr
0.073
(mg
1/3
nb
2/3
)
0.2
zr
0.4
ti
0.4
o3+0.4％ceo2+0.3％pbo+0.3％cuo+0.2％nb2o5；
39.一种高性能压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
40.1)以pb3o4、mgo、nb2o5为原料，按pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3的配比混匀，在1000℃的温度下保温4小时合成pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3；
41.2)以pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3、srco3、tio2、zro2、nb2o5、ceo2、pbo、cuo为原料，按pb
0.927
sr
0.073
(mg
1/3
nb
2/3
)
0.2
zr
0.4
ti
0.4
o3+0.4％ceo2+0.3％pbo+0.3％cuo+0.2％nb2o5的配比混匀，在900℃下保温3小时后得到pb
0.927
sr
0.073
(mg
1/3
nb
2/3
)
0.2
zr
0.4
ti
0.4
o3+0.4％ceo2+0.3％pbo+0.3％cuo+0.2％nb2o5混合粉料；
42.3)将pb
0.927
sr
0.073
(mg
1/3
nb
2/3
)
0.2
zr
0.4
ti
0.4
o3+0.4％ceo2+0.3％pbo+0.3％cuo+0.2％nb2o5混合粉料细磨3h，再加入8wt％的粘结剂、造粒，压成圆片、进行烧结，烧结温度为900℃，预烧结的保温时间为2h，得陶瓷样品；
43.4)在所述陶瓷样品上被银，并经500℃烧银10分钟,以镀上电极，将镀上电极的所述陶瓷样品放入硅油中,施加3kv/mm的直流电，以进行极化，极化时间为5分钟，得到所述高性能压电陶瓷。
44.实施例3：
45.所述高性能压电陶瓷的化学通式为：pb
0.942
sr
0.058
(mg
1/3
nb
2/3
)
0.3
zr
0.25
ti
0.45
o3+0.6％ceo2+0.23％pbo+0.2％cuo+0.1％nb2o5；
46.一种高性能压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
47.1)以pb3o4、mgo、nb2o5为原料，按pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3的配比混匀，在1200℃的温度下保温2小时合成pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3；
48.2)以pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3、srco3、tio2、zro2、nb2o5、ceo2、pbo、cuo为原料，按pb
0.942
sr
0.058
(mg
1/3
nb
2/3
)
0.3
zr
0.25
ti
0.45
o3+0.6％ceo2+0.23％pbo+0.2％cuo+0.1％nb2o5的配比混匀，在900℃下保温3小时后得到pb
0.942
sr
0.058
(mg
1/3
nb
2/3
)
0.3
zr
0.25
ti
0.45
o3+0.6％ceo2+0.23％pbo+0.2％cuo+0.1％nb2o5混合粉料；
49.3)将pb
0.942
sr
0.058
(mg
1/3
nb
2/3
)
0.3
zr
0.25
ti
0.45
o3+0.6％ceo2+0.23％pbo+0.2％cuo+0.1％nb2o5混合粉料细磨3.5h，再加入8wt％的粘结剂、造粒，压成圆片、进行烧结，烧结温度为900℃，预烧结的保温时间为3h，得陶瓷样品；
50.4)在所述陶瓷样品上被银，并经600℃烧银8分钟,以镀上电极，将镀上电极的所述陶瓷样品在空气环境中,施加3kv/mm的直流电，以进行极化，极化时间为10分钟，得到所述高性能压电陶瓷。
51.实施例4：
52.所述高性能压电陶瓷的化学通式为：pb
0.976
sr
0.024
(mg
1/3
nb
2/3
)
0.25
zr
0.35
ti
0.4
o3+0.5％ceo2+0.27％pbo+0.25％cuo+0.3％nb2o5；
53.一种高性能压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
54.1)以pb3o4、mgo、nb2o5为原料，按pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3的配比混匀，在1050℃的温度下保温3.5小时合成pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3；
55.2)以pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3、srco3、tio2、zro2、nb2o5、ceo2、pbo、cuo为原料，按pb
0.976
sr
0.024
(mg
1/3
nb
2/3
)
0.25
zr
0.35
ti
0.4
o3+0.5％ceo2+0.27％pbo+0.25％cuo+0.3％nb2o5的配比混匀，在850℃下保温3.5小时后得到pb
0.976
sr
0.024
(mg
1/3
nb
2/3
)
0.25
zr
0.35
ti
0.4
o3+0.5％ceo2+0.27％pbo+0.25％cuo+0.3％nb2o5混合粉料；
56.3)将pb
0.976
sr
0.024
(mg
1/3
nb
2/3
)
0.25
zr
0.35
ti
0.4
o3+0.5％ceo2+0.27％pbo+0.25％cuo+0.3％nb2o5混合粉料细磨3h，再加入5wt％的粘结剂、造粒，压成圆片、进行烧结，烧结温度为850℃，预烧结的保温时间为4h，得陶瓷样品；
57.4)在所述陶瓷样品上被银，并经700℃烧银7分钟,以镀上电极，将镀上电极的所述陶瓷样品放入硅油环境中,施加2kv/mm的直流电，以进行极化，极化时间为10分钟，得到所述高性能压电陶瓷。
58.对比例1为市售pzt体系压电陶瓷。
59.表1：实施例1～4中高性能压电陶瓷的化学通式配比：
60.配比nmzyxghbd实施例10.9530.0470.150.250.60.70.20.10.25实施例20.9270.0730.20.40.40.40.30.30.2实施例30.9420.0580.30.250.450.60.230.20.1实施例40.9760.0240.250.350.40.50.270.250.3
61.将实施例1-4所制备的高性能压电陶瓷和对比例1市售pzt体系压电陶瓷进行性能测试，测试结果如表2所示：
62.表2：实施例1～4和对比例1的性能测试结果
[0063][0064]
由上述对比实验可知，本技术实施例制备的高性能压电陶瓷高密度＞7.85g/cm3、平面机电耦合系数＞0.59、机械品质因素＞1200、介电常数＞1700、介电损耗＜0.006、介电常数d33＞350，与对比例相比较，具有高密度、高介电常数、高平面机电耦合系数、高机械品
质因素、高介电常数、低介电损耗的特点，本技术提供一种高性能压电陶瓷，以pb(mg
1/3
nb
2/3
)o3为基体，通过添加sr以实现对a位的pb离子的掺杂改性，引起晶格畸变，加速离子扩散，在烧结时起到助熔作用，降低压电陶瓷的烧结温度，提高压电陶瓷的致密度，增大压电陶瓷的介电和压电常数，通过掺杂srzr、ti，对基体进行改性，利用离子掺杂并烧结得到“三方-正交-四方”多向共存的压电陶瓷结构，该结构能够使得压电陶瓷材料具有超高的压电性能，有助于提升压电陶瓷的致密性，获得高质量的压电陶瓷，同时加入ceo2、cuo、nb2o5可改变了陶瓷中氧空位的浓度和阳离子空位浓度，在不降低压电常数的情况下提高材料致密性和调控缺陷浓度，而pbo存在很丰富的液相区，加入后在烧结过程中形成少量液相，从而降低烧结温度，减少晶粒间隙，并使得压电陶瓷的致密性提高，本技术相较现有pzt体系压电陶瓷，通过先合成pb(mg1/3nb2/3)o3再加入pzt系统去实现高密度，具有高密度、高功率、高效率、高品质因素的特点，本技术是一种改性的硬性pzt体系压电陶瓷，功率承受能力较高，综合性能高能够满足人们需求，极其适用于极高功率高驱动要求的功率型换能器，能够广泛用于高功率声波焊接，渔群探测等极高功率要求的传感器上。
[0065]
以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。