專利名稱：鋯鈦酸鉛/碳化硅復(fù)合陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋯鈦酸鉛/碳化硅復(fù)合陶瓷材料及其制備方法，屬于鐵電壓電材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鋯鈦酸鉛(Pb(Zr1-xTix)O3，簡(jiǎn)稱為PZT)陶瓷由于具有優(yōu)異的壓電、鐵電和熱釋電等性能，已被廣泛應(yīng)用于濾波器、換能器和紅外探測(cè)器等方面。通過(guò)調(diào)整鋯鈦比可以獲得具有不同電性能的PZT陶瓷；針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，可以通過(guò)離子置換或摻雜的方法進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化PZT材料的性能。然而由于功能陶瓷具有脆性較大的固有特性，嚴(yán)重限制了它在大功率、高應(yīng)變或高頻率下的應(yīng)用。另外，PZT陶瓷有時(shí)需要在外加高電場(chǎng)下使用，因此材料的抗電擊穿強(qiáng)度對(duì)于材料能力的發(fā)揮和工作壽命起著決定性的作用。特別是近年來(lái)，隨著電子線路的高度集成化和電子器件的小型化，對(duì)功能陶瓷的力學(xué)性能和抗電擊穿強(qiáng)度提出了越來(lái)越高的要求。因此，人們一直在努力探索提高PZT陶瓷力學(xué)性能和抗電擊穿強(qiáng)度的有效途徑。
1985年，T.Yamamoto等人研究了SiC晶須對(duì)PZT陶瓷電學(xué)和力學(xué)性能的影響，雖然在PZT中摻入0.5wt.％SiC后陶瓷強(qiáng)度提高了36％，但機(jī)電耦合系數(shù)kp和剩余極化強(qiáng)度Pr均下將了近40％。1991年K.Niihara在研究Al2O3/SiC和Si3N4/SiC結(jié)構(gòu)陶瓷體系的基礎(chǔ)上，提出了陶瓷基納米復(fù)合材料的概念，根據(jù)材料的微觀結(jié)構(gòu)，納米復(fù)合陶瓷分為4類晶內(nèi)復(fù)合型，晶間復(fù)合型，晶內(nèi)/晶間復(fù)合型和納米復(fù)合型。根據(jù)這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，人們開(kāi)始制備不同納米復(fù)合陶瓷的研究工作。1996年Hwang等以SiC(～70nm)和BaTiO3(～100nm)納米復(fù)合粉體為原料，熱壓燒結(jié)制備了SiC/BaTiO3納米復(fù)相陶瓷。納米SiC的存在嚴(yán)重影響到瓷體的燒結(jié)性能，使瓷體很難完全致密。另外，納米SiC不僅影響陶瓷的相變行為，還影響陶瓷的電疇結(jié)構(gòu)。1998年Hwang等以PZT納米粉體和PtCl4懸浮液為原料，以氨水絡(luò)合和甲醛還原制備了Pt/PZT納米復(fù)相陶瓷，1％體積的Pt和PZT的復(fù)合陶瓷與PZT陶瓷的性能大致相當(dāng)，而且Pt/PZT納米復(fù)相陶瓷的抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力增強(qiáng)了。Tajima等在2000年以球磨混合法制備了Al2O3/PZT復(fù)相陶瓷，隨著Al2O3含量的提高，材料的晶界強(qiáng)度和抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力也得到有效改善。
本發(fā)明與上述方法完全不同，它是通過(guò)固相擴(kuò)散滲透的方式引入納米顆粒和第二相從而制備PZT/SiC復(fù)合陶瓷，PZT/SiC復(fù)合陶瓷可以在保持材料原有的介電、壓電、鐵電等性能的基礎(chǔ)上，大幅度提高材料的力學(xué)性能和抗電擊穿強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鋯鈦酸鉛/碳化硅復(fù)合陶瓷材料及其制備方法。本材料配方可調(diào)，制備方法簡(jiǎn)單，將燒結(jié)好的Pb(ZrxTi1-x)O3的陶瓷材料在一定溫度下熱處理一段時(shí)間滲入少量的SiC微粉或納米粉，即可達(dá)到明顯改善材料性能的效果。
該類材料的組成為y Pb(ZrxTi1-x)O3+zSiC，其中95wt％≤y＜100wt％，0＜z≤5wt％，0≤x≤100wt％，包含有SiC微米或納米粉體，粒徑范圍為0.1～20微米。
本發(fā)明的制備方法包括以下步驟
(1)以化學(xué)純或分析純的Pb3O4，ZrO2，TiO2，Nb2O5等氧化物粉體為原料，按化學(xué)計(jì)量比Pb(ZrxTi1-x)O3配制，以水或無(wú)水乙醇為介質(zhì)，鐵球、或氧化鋯球、或瑪瑙球?yàn)槟ソ椋蚰?h～12h，出料，烘干，粉料在750℃～900℃范圍內(nèi)預(yù)燒2h～4h，得到Pb(ZrxTi1-x)O3粉體。
(2)將得到的Pb(ZrxTi1-x)O3合成粉體粉碎，再以水或無(wú)水乙醇為介質(zhì)，鐵球、或氧化鋯球、或瑪瑙球?yàn)槟ソ椋蚰?4～36h小時(shí)。
(3)將上述細(xì)磨粉體烘干，加入6wt.％的PVA造粒，在100～200Mpa的壓強(qiáng)下將粉體干壓成型。
(4)在650℃～850℃范圍內(nèi)，保溫2小時(shí)排膠，排除素坯中的有機(jī)物質(zhì)，排膠過(guò)程的升溫速度不高于4℃/min。
(5)素坯在1250℃～1350℃范圍內(nèi)燒結(jié)，保溫1h～3h，得到PbZrxTi1-xO3基體陶瓷樣品。
(6)將Pb(ZrxTi1-x)O3基體陶瓷樣品表面細(xì)磨后，在樣品表面涂覆或包裹上SiC微粉，或者直接埋入SiC微粉中，在600℃～1000℃溫度范圍內(nèi)熱處理1～8h。
制備得到的陶瓷樣品平行表面細(xì)磨0.2～0.4mm后，上電極極化，即可測(cè)試電性能。
它可大幅度提高材料的機(jī)械性能和抗電擊穿強(qiáng)度，顯著增加絕緣電阻等。特別是其機(jī)械性能，絕緣電阻，抗電擊穿強(qiáng)度可以通過(guò)滲入SiC的量和熱處理時(shí)間以及溫度的變化在很大的范圍內(nèi)調(diào)整。另外，尤其可貴的是材料的介電，壓電，鐵電等性能可基本保持不變甚至略有提高。特別適合在要求高電壓、或者高應(yīng)變、或者高絕緣電阻的環(huán)境下使用。


圖1SiC原料粉體的粒度分布2基體陶瓷樣品Pb(ZrxTi1-x)O3+1wt.％Nb2O5(x＝0.965)的電滯回線圖3實(shí)施例1樣品的電滯回線圖4實(shí)施例2樣品的電滯回線圖5復(fù)合陶瓷樣品表面的SiC含量隨熱處理?xiàng)l件的變化曲線圖6復(fù)合陶瓷樣品的介電常數(shù)隨熱處理?xiàng)l件的變化曲線圖7復(fù)合陶瓷樣品的壓電系數(shù)隨熱處理?xiàng)l件的變化曲線圖8復(fù)合陶瓷樣品的斷裂韌性隨熱處理?xiàng)l件的變化曲線圖9復(fù)合陶瓷樣品的維氏硬度隨熱處理?xiàng)l件的變化曲線圖10復(fù)合陶瓷樣品的介電損耗隨熱處理?xiàng)l件的變化曲線圖11復(fù)合陶瓷樣品的剩余極化強(qiáng)度隨熱處理?xiàng)l件的變化曲線圖12復(fù)合陶瓷樣品的電擊穿強(qiáng)度隨熱處理?xiàng)l件的變化曲線具體實(shí)施方式
下面以實(shí)施例的方式說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明不僅限于下述實(shí)施例。實(shí)施例1以粉末狀的Pb3O4，ZrO2，TiO2，Nb2O5和平均粒徑為2μm的SiC粉體為原料，按化學(xué)計(jì)量比Pb(Zr0.965Ti0.035)O3+1wt.％Nb2O5配制。濕法球磨8h后，出料，烘干，粉料在850℃下預(yù)燒2h，得到Pb(Zr0.965Ti0.035)O3+1wt.％Nb2O5粉體。粉體再濕法球磨24h，出料，烘干，加入6wt.％的PVA造粒，在150Mpa的壓強(qiáng)下將粉體壓制成型；經(jīng)800℃/2h排膠，1300℃/2h燒結(jié)。燒成后的樣品經(jīng)細(xì)磨加工，得到基體陶瓷樣品?；w陶瓷樣品表面細(xì)磨、超聲清洗后，將樣品埋入SiC微粉中，在850℃溫度下熱處理2h，再將平行表面細(xì)磨掉0.2mm左右，被銀電極及高溫?zé)y，高壓極化后測(cè)試電性能。樣品表面的化學(xué)組成XRF熒光半定量結(jié)果見(jiàn)表1，與未經(jīng)過(guò)滲透處理的PZT陶瓷基體樣品的性能比較見(jiàn)表2。
實(shí)施例2以粉末狀的Pb3O4，ZrO2，TiO2，Nb2O5和平均粒徑為2μm的SiC粉體為原料，按化學(xué)計(jì)量比Pb(Zr0.965Ti0.035)O3+1wt.％Nb2O5配制。濕法球磨8h后，出料，烘干，粉料在850℃下預(yù)燒2h，得到Pb(Zr0.965Ti0.035)O3+1wt.％Nb2O5粉體。粉體再濕法球磨24h，出料，烘干，加入6wt.％的PVA造粒，在150Mpa的壓強(qiáng)下將粉體壓制成型；經(jīng)800℃/2h排膠，1300℃/2h燒結(jié)。燒成后的樣品經(jīng)細(xì)磨加工得到基體陶瓷樣品。將基體陶瓷樣品表面細(xì)磨、超聲清洗后，將樣品埋入SiC微粉中，在850℃溫度下熱處理4h，再將平行表面細(xì)磨掉0.2mm左右，被銀電極及高溫?zé)y，高壓極化后測(cè)試電性能。實(shí)施例2樣品表面的化學(xué)組成XRF熒光半定量的結(jié)果見(jiàn)表1，與未經(jīng)過(guò)滲透處理的PZT基體陶瓷樣品的性能比較見(jiàn)表2。
表1

表2

權(quán)利要求
1.鋯鈦酸鉛/碳化硅復(fù)合陶瓷材料，其特征在于基體組分為yPb(ZrxTi1-x)O3+zSiC，包含有SiC微米或納米粉體；其中95wt％≤y＜100wt％，0＜z≤5wt％，0≤x≤100wt％。
2.按權(quán)利要求1所述的鋯鈦酸鉛/碳化硅復(fù)合陶瓷材料，其特征在于SiC微米或納米粉體的粒徑范圍為0.1～20微米。
3.鋯鈦酸鉛/碳化硅復(fù)合陶瓷材料的制備方法，其特征包括以下步驟(1)以化學(xué)純或分析純的Pb3O4，ZrO2，TiO2，Nb2O5等氧化物粉體為原料，按化學(xué)計(jì)量比Pb(ZrxTi1-x)O3配制，其中95wt％≤y＜100wt％，0＜z≤5wt％，0≤x≤100wt％；以水或無(wú)水乙醇為介質(zhì)，鐵球或氧化鋯球或瑪瑙球?yàn)槟ソ?，球磨，出料，烘干，預(yù)燒，得到Pb(ZrxTi1-x)O3粉體。(2)將得到的Pb(ZrxTi1-x)O3合成粉體粉碎，再以水或無(wú)水乙醇為介質(zhì)，鐵球或氧化鋯球或瑪瑙球?yàn)槟ソ?，球磨?3)將上述細(xì)磨粉體烘干，造粒后干壓成型并排膠得到素坯；(4)素坯在1250℃～1350℃范圍內(nèi)燒結(jié)，保溫1h～3h，得到PbZrxTi1-xO3基體陶瓷樣品；(5)將Pb(ZrxTi1-x)O3基體陶瓷樣品表面細(xì)磨后，在樣品表面涂覆或包裹上SiC微粉，或者直接埋入SiC微粉中進(jìn)行熱處理。
4.按權(quán)利要求3所述的鋯鈦酸鉛/碳化硅復(fù)合陶瓷材料的制備方法，其特征在于SiC微粉的粒徑范圍為0.1～20微米。
5.按權(quán)利要求3或4所述的鋯鈦酸鉛/碳化硅復(fù)合陶瓷材料的制備方法的制備方法，其特征在于預(yù)燒條件為750℃～900℃范圍內(nèi)預(yù)燒2h～4h。
6.按權(quán)利要求3或4所述的鋯鈦酸鉛/碳化硅復(fù)合陶瓷材料的制備方法的制備方法，其特征在于熱處理的條件為在600℃～1000℃溫度范圍內(nèi)熱處理1～8h。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋯鈦酸鉛/碳化硅復(fù)合陶瓷材料及其制備方法，屬于鐵電壓電材料領(lǐng)域。該材料的組成為yPb(Zr
文檔編號(hào)C04B35/622GK1884196SQ20061002724
公開(kāi)日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2006年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月2日
發(fā)明者董顯林, 楊洪 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所