高居里溫度的pzt壓電陶瓷材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于壓電陶瓷材料領(lǐng)域，具體涉及一種高居里溫度的PZT壓電陶瓷材料及其制備方法。材料的組成式為Pb[(Sn1/3Nb2/3)xZryTi1-x-y]O3，外加質(zhì)量百分比的1.02～1.75%MnO2，其中0.04≤x≤0.08，0.47≤y≤0.51。制備方法為：將原料混合，用去離子水作為球磨介質(zhì)，混料；混料濾水后，烘干，添加去離子水過30-50目篩后壓塊后，預燒；預燒后再用去離子水作為球磨介質(zhì)、加入粘合劑、甘油、分散劑，進行粉碎研磨，放出料漿后，利用噴霧造粒塔進行造粒。造粒后的粉料條件下干壓成型，通過隧道窯進行燒結(jié)；燒結(jié)后的半成品加工成的標準片，在兩面涂上銀電極后烤銀，然后放在硅油中進行極化。本發(fā)明壓電性能高，比常規(guī)材料居里溫度高，制備方法簡單，易于操作，無污染，成本低。
【專利說明】高居里溫度的PZT壓電陶瓷材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于壓電陶瓷材料領(lǐng)域，具體涉及一種高居里溫度的PZT壓電陶瓷材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]壓電陶瓷，是一種能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于無機非金屬材料。這是一種具有壓電效應(yīng)的材料。所謂壓電效應(yīng)是指某些介質(zhì)在力的作用下，產(chǎn)生形變，引起介質(zhì)表面帶電，這是正壓電效應(yīng)。反之，施加激勵電場，介質(zhì)將產(chǎn)生機械變形，稱逆壓電效應(yīng)。這種奇妙的效應(yīng)已經(jīng)被科學家應(yīng)用在與人們生活密切相關(guān)的許多領(lǐng)域，以實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、傳感、驅(qū)動、頻率控制功能。在能量轉(zhuǎn)換方面，利用壓電陶瓷將機械能轉(zhuǎn)換成電能的特性，可以制造出壓電點火器、移動X光電源、炮彈引爆裝置。電子打火機中就有壓電陶瓷制作的火石，打火次數(shù)可在100萬次以上。用壓電陶瓷把電能轉(zhuǎn)換成超聲振動，可以用來探尋水下魚群的位置和形狀，對金屬進行無損探傷，以及超聲清洗、超聲醫(yī)療，還可以做成各種超聲切割器、焊接裝置及烙鐵，對塑料甚至金屬進行加工。
[0003]自1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)以來，這一效應(yīng)已在各行各業(yè)和社會生活的各個方面得到廣泛的應(yīng)用，壓電陶瓷也因此成為除介電陶瓷之外產(chǎn)量較大的電子陶瓷材料。最早被發(fā)現(xiàn)的壓電陶瓷材料為鈦酸鋇，但自50年代PZT陶瓷被發(fā)現(xiàn)以來，PZT就因其機電耦合系數(shù)高、溫度穩(wěn)定性好、居里溫度較高，而且可通過適當?shù)娜〈砑痈男赃_到不同用途優(yōu)越性，大量占有了壓電陶瓷市場。關(guān)于PZT材料的研究也從探索各種取代添加對材料性能的影響，逐漸拓寬到微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系以及工藝過程的各個方面。PZT材料居里溫度的提高即為其中方向之一。
[0004]壓電陶瓷只在某一溫度范圍內(nèi)才具有壓電性，它有一臨界溫度Tc。當溫度高于Tc時，壓電陶瓷發(fā)生結(jié)構(gòu)相轉(zhuǎn)變，由鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤?，自發(fā)極化消失。這個臨界溫度Tc就稱為壓電陶瓷的居里溫度。由此可見，壓電陶瓷的居里溫度對于壓電陶瓷的適用范圍有很重要的作用，在溫度高的環(huán)境中使用的話，就必須要求壓電陶瓷材料的居里溫度更高。所以隨著壓電陶瓷的使用范圍的擴大，高溫環(huán)境也會越來越多，對壓電陶瓷材料的居里溫度就會有更高的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種高居里溫度的PZT壓電陶瓷材料及其制備方法，壓電性能高，比常規(guī)材料居里溫度高，制備方法簡單，易于操作，無污染，成本低。
[0006]本發(fā)明所述的高居里溫度的PZT壓電陶瓷材料，材料的組成式為Pb[(Sn1/3Nb2/3)
，外加質(zhì)量百分比的L 02?L 75%Mn02，其中0.04彡x彡0.08，0.47彡y彡0.51。
[0007]制備方法如下:
[0008](I)將Pb3O4、ZrO2、T12、Nb205、SnO2和MnO2混合,用去離子水作為球磨介質(zhì),混料；
[0009](2)混料濾水后,烘干,添加去離子水過30-50目篩后壓塊后,預燒；
[0010](3)預燒后再用去離子水作為球磨介質(zhì)、加入粘合劑、甘油、分散劑，進行粉碎研磨，放出料漿后，利用噴霧造粒塔進行造粒。造粒后的粉料條件下干壓成型，通過隧道窯進行燒結(jié)；
[0011](4)燒結(jié)后的半成品加工成Φ20Χ2πιπι的標準片，在兩面涂上銀電極后在700?820°C烤銀，然后放在硅油中進行極化。
[0012]混料時間為3?5小時。
[0013]步驟(2)中去尚子水的添加量為5%?9%。
[0014]預燒的溫度為790?825°C，預燒的時間為2?3小時。
[0015]粉碎研磨的時間為5?7小時。
[0016]干壓成型的壓力為10?20Mpa的壓力
[0017]燒結(jié)溫度為1240?1290°C ;燒結(jié)2?4小時。
[0018]極化溫度為130?150°C，極化電壓為2500?3000V/mm，極化時間為15?30分鐘。
[0019]粘合劑為聚乙烯醇和蒸餾水在90-110°C加熱而成的。
[0020]分散劑為反絮凝劑。
[0021]分散劑為原料重量的0.5%-0.8% ;甘油為原料重量的0.02%-0.05% ;粘合劑為原料重量的8%-12%。
[0022]獲得了一種添加錳元素的高居里溫度的PZT壓電陶瓷新材料一PSnN-52。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0024]通過對鋯鈦酸鉛的配方中的鋯(Zr)和鈦(Ti)的比例進行調(diào)整及添加少量的錳(Mn)元素進行摻雜改性，壓電性能高，比常規(guī)材料居里溫度高，制備方法簡單，易于操作，無污染，成本低。

【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合實例對本發(fā)明的特點作進一步描述，但不局限于下述實施例。
[0026]下列實施例中原料:Pb304為化學純、ZrO2為電子級、T12為分析純、Nb2O5為分析純、SnO2為分析純和MnO2為分析純。
[0027]實施例1
[0028]制備步驟如下:
[0029]以Pb3O4、ZrO2、T12, Nb2O5、SnO2 和 MnO2 為原料，按照組成式 Pb [ (Snl73Nb273)
，其中 χ=0.04, y=0.49，計算各種原料的質(zhì)量，稱取 Pb3O4、ZrO2、T12、Nb2O5、SnO2
配制主體成分，再向其中加入占主體成分質(zhì)量百分比1.02%的MnO2作為附加成分。用去離子水作為球磨介質(zhì)，利用攪拌球磨機混料4小時，出料用壓濾罐濾水后，利用烘箱烘干，添加7%去離子水過40目篩后壓塊，在790°C下利用隧道窯進行預燒，預燒后再用去離子水作為球磨介質(zhì)、并加入粘合劑、甘油、分散劑在攪拌球磨機內(nèi)進行粉碎研磨6小時，放出料漿后，利用噴霧造粒塔進行造粒。造粒后的粉料在15Mpa的壓力條件下干壓成型，然后在1260°C的條件下通過隧道窯進行燒結(jié)。燒結(jié)后的半成品加工成Φ20 X 2mm的標準片，在兩面涂上銀電極后在750°C烤銀，然后在變壓器油中進行極化，極化溫度為140°C，極化電壓為3000V/mm，極化時間為20分鐘。放置24小時后測試其壓電性能參數(shù)及居里溫度。
[0030]其中，粘合劑為聚乙烯醇和蒸餾水在90°C加熱而成的。
[0031]分散劑為反絮凝劑。
[0032]分散劑為原料重量的0.5% ;甘油為原料重量的0.05% ;粘合劑為原料重量的8%。
[0033]此樣品所測得壓電性能參數(shù)及居里溫度分別為:
[0034]機電耦合系數(shù)Kp=0.621，壓電常數(shù)d33=389pC/N，介電常數(shù)ε =1998，居里溫度Tc=370°C
[0035]實施例2
[0036]制備步驟如下:
[0037]以Pb3O4、ZrO2、T12, Nb2O5、SnO2 和 MnO2 為原料，按照組成式 Pb [ (Snl73Nb273)
，其中 χ=0.05,y=0.48，計算各種原料的質(zhì)量，稱取 Pb3O4、ZrO2、T12、Nb2O5、SnO2
配制主體成分，再向其中加入占主體成分質(zhì)量百分比1.23%的MnO2作為附加成分。用去離子水作為球磨介質(zhì)，利用攪拌球磨機混料4小時，出料用壓濾罐濾水后，利用烘箱烘干，添加7%去離子水過40目篩后壓塊，在800°C下利用隧道窯進行預燒，預燒后再用去離子水作為球磨介質(zhì)、并加入適量粘合劑、甘油、分散劑在攪拌球磨機內(nèi)進行粉碎研磨6小時，放出料漿后，利用噴霧造粒塔進行造粒。造粒后的粉料在15Mpa的壓力條件下干壓成型，然后在1270°C的條件下通過隧道窯進行燒結(jié)。燒結(jié)后的半成品加工成Φ20X2mm的標準片，在兩面涂上銀電極后在750°C烤銀，然后在變壓器油中進行極化，極化溫度為150°C，極化電壓為3000V/mm，極化時間為25分鐘。放置24小時后測試其壓電性能參數(shù)及居里溫度。
[0038]其中，粘合劑為聚乙烯醇和蒸餾水在110°C加熱而成的。
[0039]分散劑為反絮凝劑。
[0040]分散劑為原料重量的0.8% ;甘油為原料重量的0.04% ;粘合劑為原料重量的10%。
[0041]此樣品所測得壓電性能參數(shù)及居里溫度分別為:
[0042]機電耦合系數(shù)恥=0.625，壓電常數(shù)(133=394?(:/^，介電常數(shù)ε =1945，居里溫度Tc=365。。。
[0043]實施例3
[0044]制備步驟如下:
[0045]以Pb3O4、ZrO2、T12, Nb2O5、SnO2 和 MnO2 為原料，按照組成式 Pb [ (Snl73Nb273)
，其中 χ=0.07，y=0.50，計算各種原料的質(zhì)量，稱取 Pb3O4、ZrO2、T12、Nb2O5、SnO2
配制主體成分，再向其中加入占主體成分質(zhì)量百分比1.35%的MnO2作為附加成分。用去離子水作為球磨介質(zhì)，利用攪拌球磨機混料5小時，出料用壓濾罐濾水后，利用烘箱烘干，添加8%去離子水過40目篩后壓塊，在810°C下利用隧道窯進行預燒，預燒后再用去離子水作為球磨介質(zhì)、并加入適量粘合劑、甘油、分散劑在攪拌球磨機內(nèi)進行粉碎研磨5小時，放出料漿后，利用噴霧造粒塔進行造粒。造粒后的粉料在15Mpa的壓力條件下干壓成型，然后在1290°C的條件下通過隧道窯進行燒結(jié)。燒結(jié)后的半成品加工成Φ20 X 2mm的標準片，在兩面涂上銀電極后在760°C烤銀，然后在變壓器油中進行極化，極化溫度為140°C，極化電壓為2500V/mm，極化時間為20分鐘。放置24小時后測試其壓電性能參數(shù)及居里溫度.
[0046]其中，粘合劑為聚乙烯醇和蒸餾水在100°C加熱而成的。
[0047]分散劑為反絮凝劑。
[0048]分散劑為原料重量的0.7% ;甘油為原料重量的0.02% ;粘合劑為原料重量的12%。
[0049]此樣品所測得壓電性能參數(shù)及居里溫度分別為:
[0050]機電耦合系數(shù)恥=0.631，壓電常數(shù)(133=403?(:/^，介電常數(shù)ε =2014，居里溫度Tc=375。。。
[0051]實施例4
[0052]制備步驟如下:
[0053]以Pb3O4、ZrO2、T12, Nb2O5、SnO2 和 MnO2 為原料，按照組成式 Pb [ (Snl73Nb273)χΖινΤυθ3，其中 X=0.06，y=0.51，計算各種原料的質(zhì)量，稱取 Pb3O4、ZrO2、T12、Nb2O5、SnO2配制主體成分，再向其中加入占主體成分質(zhì)量百分比1.45%的MnO2作為附加成分。用去離子水作為球磨介質(zhì)，利用攪拌球磨機混料4小時，出料用壓濾罐濾水后，利用烘箱烘干，添加8%去離子水過40目篩后壓塊，在820°C下利用隧道窯進行預燒，預燒后再用去離子水作為球磨介質(zhì)、并加入適量粘合劑、甘油、分散劑在攪拌球磨機內(nèi)進行粉碎研磨6小時，放出料漿后，利用噴霧造粒塔進行造粒。造粒后的粉料在15Mpa的壓力條件下干壓成型，然后在1100°C的條件下通過隧道窯進行燒結(jié)。燒結(jié)后的半成品加工成Φ20 X 2mm的標準片，在兩面涂上銀電極后在780°C烤銀，然后在變壓器油中進行極化，極化溫度為140°C，極化電壓為3000V/mm，極化時間為15分鐘。放置24小時后測試其壓電性能參數(shù)及居里溫度。
[0054]其中，粘合劑為聚乙烯醇和蒸餾水在100°C加熱而成的。
[0055]分散劑為反絮凝劑。
[0056]分散劑為原料重量的0.8% ;甘油為原料重量的0.03% ;粘合劑為原料重量的11%。
[0057]此樣品所測得壓電性能參數(shù)及居里溫度分別為:
[0058]機電耦合系數(shù)恥=0.627，壓電常數(shù)(133=412?(:/^，介電常數(shù)ε =2020，居里溫度Tc=365。。。
[0059]實施例5
[0060]制備步驟如下:
[0061]以Pb304、ZrO2, T12, Nb2O5, SnO2 和 MnO2 為原料，按照組成式 Pb [ (Snl73Nb273)
，其中 χ=0.05，y=0.50，計算各種原料的質(zhì)量，稱取 Pb3O4、ZrO2、T12、Nb2O5、SnO2
配制主體成分，再向其中加入占主體成分質(zhì)量百分比1.55%的MnO2作為附加成分。用去離子水作為球磨介質(zhì)，利用攪拌球磨機混料3小時，出料用壓濾罐濾水后，利用烘箱烘干，添加9%去離子水過40目篩后壓塊，在820°C下利用隧道窯進行預燒，預燒后再用去離子水作為球磨介質(zhì)、并加入適量粘合劑、甘油、分散劑在攪拌球磨機內(nèi)進行粉碎研磨6小時，放出料漿后，利用噴霧造粒塔進行造粒。造粒后的粉料在15Mpa的壓力條件下干壓成型，然后在1250°C的條件下通過隧道窯進行燒結(jié)。燒結(jié)后的半成品加工成Φ20X2mm的標準片，在兩面涂上銀電極后在800°C烤銀，然后在變壓器油中進行極化，極化溫度為140°C，極化電壓為3000V/mm，極化時間為20分鐘。放置24小時后測試其壓電性能參數(shù)及居里溫度。
[0062]其中，粘合劑為聚乙烯醇和蒸餾水在105°C加熱而成的。
[0063]分散劑為反絮凝劑。
[0064]分散劑為原料重量的0.7% ;甘油為原料重量的0.04% ;粘合劑為原料重量的10%。
[0065]此樣品所測得壓電性能參數(shù)及居里溫度分別為:
[0066]機電耦合系數(shù)恥=0.620，壓電常數(shù)(133=408?(:/^，介電常數(shù)ε =1995，居里溫度Tc=375。。。
[0067]實施例6
[0068]制備步驟如下:
[0069]以Pb304、ZrO2, T12, Nb2O5, SnO2 和 MnO2 為原料，按照組成式 Pb [ (Sn1/3Nb2/3)
，其中 χ=0.08,y=0.47，計算各種原料的質(zhì)量，稱取 Pb3O4、ZrO2、T12、Nb2O5、SnO2
配制主體成分，再向其中加入占主體成分質(zhì)量百分比1.65%的MnO2作為附加成分。用去離子水作為球磨介質(zhì)，利用攪拌球磨機混料4小時，出料用壓濾罐濾水后，利用烘箱烘干，添加7%去離子水過40目篩后壓塊，在825°C下利用隧道窯進行預燒，預燒后再用去離子水作為球磨介質(zhì)、并加入適量粘合劑、甘油、分散劑在攪拌球磨機內(nèi)進行粉碎研磨6小時，放出料漿后，利用噴霧造粒塔進行造粒。造粒后的粉料在15Mpa的壓力條件下干壓成型，然后在1270°C的條件下通過隧道窯進行燒結(jié)。燒結(jié)后的半成品加工成Φ20X2mm的標準片，在兩面涂上銀電極后在820°C烤銀，然后在變壓器油中進行極化，極化溫度為150°C，極化電壓為2500V/mm，極化時間為25分鐘。放置24小時后測試其壓電性能參數(shù)及居里溫度。
[0070]其中，粘合劑為聚乙烯醇和蒸餾水在105°C加熱而成的。
[0071]分散劑為反絮凝劑。
[0072]分散劑為原料重量的0.7% ;甘油為原料重量的0.04% ;粘合劑為原料重量的10%。
[0073]此樣品所測得壓電性能參數(shù)及居里溫度分別為:
[0074]機電耦合系數(shù)恥=0.626，壓電常數(shù)(133=397?(:/^，介電常數(shù)ε =1956，居里溫度Tc=37(TC。
[0075]實施例7
[0076]制備步驟如下:
[0077]以Pb304、ZrO2, T12, Nb2O5, SnO2 和 MnO2 為原料，按照組成式 Pb [ (Snl73Nb273)
，其中 χ=0.05,y=0.48，計算各種原料的質(zhì)量，稱取 Pb3O4、ZrO2、T12、Nb2O5、SnO2
配制主體成分，再向其中加入占主體成分質(zhì)量百分比1.75%的MnO2作為附加成分。用去離子水作為球磨介質(zhì)，利用攪拌球磨機混料5小時，出料用壓濾罐濾水后，利用烘箱烘干，添加8%去離子水過40目篩后壓塊，在825°C下利用隧道窯進行預燒，預燒后再用去離子水作為球磨介質(zhì)、并加入適量粘合劑、甘油、分散劑在攪拌球磨機內(nèi)進行粉碎研磨6小時，放出料漿后，利用噴霧造粒塔進行造粒。造粒后的粉料在20Mpa的壓力條件下干壓成型，然后在1280°C的條件下通過隧道窯進行燒結(jié)。燒結(jié)后的半成品加工成Φ20X2mm的標準片，在兩面涂上銀電極后在740°C烤銀，然后在變壓器油中進行極化，極化溫度為130°C，極化電壓為3000V/mm，極化時間為30分鐘。放置24小時后測試其壓電性能參數(shù)及居里溫度。
[0078]其中，粘合劑為聚乙烯醇和蒸餾水在105°C加熱而成的。
[0079]分散劑為反絮凝劑。
[0080]分散劑為原料重量的0.6% ;甘油為原料重量的0.04% ;粘合劑為原料重量的9%。
[0081]此樣品所測得壓電性能參數(shù)及居里溫度分別為:
[0082]機電耦合系數(shù)Kp=0.623，壓電常數(shù)d33=388pC/N，介電常數(shù)ε =1963，居里溫度Tc=375。。。
【權(quán)利要求】
1.一種高居里溫度的PZT壓電陶瓷材料，其特征在于，材料的組成式為Pb[(Sn1/3Nb2/3)，外加質(zhì)量百分比的L 02?L 75%Mn02，其中0.04彡x彡0.08，0.47彡y彡0.51。
2.—種權(quán)利要求1所述的高居里溫度的PZT壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于，制備方法如下: (1)將Pb304、Zr02、Ti02、Nb2O5>SnO2和MnO2混合,用去離子水作為球磨介質(zhì),混料； (2)混料濾水后，烘干，添加去離子水過30-50目篩后壓塊后，預燒； (3)預燒后再用去離子水作為球磨介質(zhì)，加入粘合劑、甘油、分散劑，進行粉碎研磨，放出料漿后，利用噴霧造粒塔進行造粒，造粒后的粉料條件下干壓成型，通過隧道窯進行燒結(jié)； (4)燒結(jié)后的半成品加工成Φ20Χ2πιπι的標準片，在兩面涂上銀電極后在700?820°C烤銀，然后放在硅油中進行極化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高居里溫度的PZT壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于，混料時間為3?5小時。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高居里溫度的PZT壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于，步驟(2)中去尚子水的添加量為5%?9%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高居里溫度的PZT壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于，預燒的溫度為790?825°C，預燒的時間為2?3小時。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高居里溫度的PZT壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于，粘合劑為聚乙烯醇和蒸餾水在90-110°C加熱而成的；分散劑為反絮凝劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高居里溫度的PZT壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于，分散劑為原料重量的0.5%-0.8% ;甘油為原料重量的0.02%-0.05% ;粘合劑為原料重量的8%-12%。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高居里溫度的PZT壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于，粉碎研磨的時間為5?7小時；干壓成型的壓力為10?20Mpa的壓力。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高居里溫度的PZT壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于，燒結(jié)溫度為1240?1290°C ;燒結(jié)2?4小時。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高居里溫度的PZT壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于，極化溫度為130?150°C，極化電壓為2500?3000V/mm，極化時間為15?30分鐘。
【文檔編號】C04B35/622GK104291817SQ201310300467
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月17日
【發(fā)明者】孫兆海, 馬濤 申請人:淄博宇海電子陶瓷有限公司