一種具有高電致應(yīng)變的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有高電致應(yīng)變的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷，所述的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷的組成成分為（xPb(Al0.5Nb0.5)O3-（0.2-x）Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr0.52Ti0.48)O3），其中0≤x<0.20。采用三步燒結(jié)法制備而成，將燒結(jié)后的陶瓷片用磨片機(jī)磨至1mm左右，利用絲網(wǎng)印刷雙面刷上銀電極，在650℃空氣中燒結(jié)，對(duì)燒制電極的陶瓷片測(cè)試其XRD、電滯回線和場(chǎng)致應(yīng)變，這種新型具有高電致應(yīng)變的材料應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)器，本發(fā)明的效果在于，與PZN-PZT相比，本發(fā)明具有制備簡(jiǎn)單，成本低，高電致應(yīng)變等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種具有高電致應(yīng)變的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功能陶瓷領(lǐng)域，涉及一種新型高電致應(yīng)變壓電陶瓷材料，具體為一種具有大的應(yīng)變系數(shù)的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷材料及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]固態(tài)驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用要求材料在較小電場(chǎng)下能夠有較大的應(yīng)變輸出，從而在激勵(lì)電壓下實(shí)現(xiàn)控制與定位，長(zhǎng)期以來(lái)，驅(qū)動(dòng)器所有材料中，占據(jù)統(tǒng)治地位的一直是以PZT為基的多元系含鉛壓電陶瓷材料，因此，多年來(lái)國(guó)內(nèi)外的陶瓷研究工作者都把研究的重點(diǎn)放在PZT陶瓷材料的研究上，以鋯鈦酸鉛為基礎(chǔ)，用多種元素改進(jìn)的三元系、四元系壓電陶瓷也都應(yīng)運(yùn)而生。
[0003]Pb (Znl73Nb273)O3(PZN)具有140°C高居里點(diǎn)和良好的介電、壓電特性，將其和PZT進(jìn)行復(fù)合形成的三元系壓電陶瓷具有極為優(yōu)異的壓電性能，從而引起人們的廣泛興趣。因此選擇以Pb (Zn1/3Nb2/3) ZrTiO3為基礎(chǔ)配方組成的材料進(jìn)行研究，有望得到較理想的材料。
[0004]在壓電驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用中，往往要求材料在較小電場(chǎng)下能夠有較大的應(yīng)變輸出，所以本文在前期對(duì)鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛體系研究基礎(chǔ)上，通過(guò)組分結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，制備了一種具有高電致應(yīng)變的材料，室溫下，在3kv/mm的電場(chǎng)下可獲得~0.24%的場(chǎng)致應(yīng)變，等效壓電系數(shù)高達(dá)767pm/V，適用于位移控制等領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了提供一種具有高電致應(yīng)變的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0007]一種具有大的場(chǎng)致應(yīng)變的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷，所述的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基含鉛體系的組成成分為(xPb (Al。.5Nb0.5) O3- (l-x)Pb (Znl73Nb273)O3-0.8Pb (Zr0 S2Ti0 48) O3)，其中 O ≤χ〈0.20。
[0008]上述鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷的制備方法，采用三步燒結(jié)法，具體的制備方法如下:
[0009](I)關(guān)于鈮酸鋁(AlNbO4)的制備:按照摩爾比1:1稱取Nb2O5和Al2O3,并充分混合球磨均勻，烘干后在1100°C~1200°C煅燒2~3小時(shí)，將煅燒的產(chǎn)物AlNbO4研磨作為原料備用;
[0010](2)關(guān)于鈮酸鋅(ZnNb2O6)的制備:按照摩爾比1:1稱取ZnO和Nb2O5，并混合球磨，烘干后在1100°C~1200°C煅燒2~3小時(shí)，將煅燒的產(chǎn)物ZnNb2O6研磨作為原料備用；
[0011](3)按化學(xué)計(jì)量比稱取原料ZrO2, TiO2, AlNbO4和ZnNb2O6,并按5%~10%的過(guò)量比稱取PbO，將原料混合球磨，球磨完以后烘干，將烘干后的粉料放入研缽中研磨使其混合均勻；[0012](4)烘干原料壓成片狀，放入馬弗爐中，在1000°C~1100°C空氣中預(yù)燒2~3小時(shí)，研磨得到固溶體原料；
[0013](5)再次使用無(wú)水乙醇為介質(zhì)濕磨，烘干后得到磨細(xì)的原料；
[0014](6)將原料干壓成型；
[0015](7)成型片1200°C~1300°C空氣中燒結(jié)2~3小時(shí)，得到致密的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷材料。
[0016]將燒結(jié)后的陶瓷片用磨片機(jī)磨至Imm左右，用絲網(wǎng)印刷法在上下表面刷上銀漿，在650°C空氣中燒銀，對(duì)燒制電極的陶瓷片測(cè)試其XRD、電滯回線和場(chǎng)致應(yīng)變。 [0017]本發(fā)明的效果在于:這是一種新型多元壓電陶瓷材料，與鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛體系相比，具有高電致應(yīng)變的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為實(shí)施例1~5制備的高電致應(yīng)變的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電材料的XRD圖(20 ~70。)。
[0019]圖2為實(shí)施例1制備的高電致應(yīng)變的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電材料室溫下的電滯回線和場(chǎng)致應(yīng)變。
[0020]圖3為實(shí)施例2制備的高電致應(yīng)變的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電材料室溫下的電滯回線和場(chǎng)致應(yīng)變。
[0021]圖4為實(shí)施例5制備的高電致應(yīng)變的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電材料室溫下的電滯回線和場(chǎng)致應(yīng)變。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)。
[0023]實(shí)施例1 (0.2Pb (Znl73Nb273) O3-0.8Pb (Zr0.52Ti0.48) O3)
[0024]按照摩爾比1:1稱取ZnO和Nb2O5,并混合球磨，烘干后在1200°C煅燒2小時(shí)，將煅燒的產(chǎn)物ZnNb2O6研磨作為原料備用。
[0025]按化學(xué)計(jì)量比稱取原料ZrO2, TiO2和ZnNb2O6,并按5%~10%的過(guò)量比稱取PbO，使用無(wú)水乙醇為介質(zhì)，利用行星磨濕磨12小時(shí)，烘干。將烘干后的粉料放入研缽中研磨10分鐘使其混合均勻。
[0026]將混合均勻的原料壓成片狀，放入馬弗爐中，在1050°C空氣中預(yù)燒2小時(shí)，研磨得到固溶體原料。
[0027]使用無(wú)水乙醇為介質(zhì)進(jìn)行二次濕磨，時(shí)間6小時(shí)，烘干后得到磨細(xì)的原料，加入質(zhì)量為粉末質(zhì)量4%的PVA,充分混合,利用干壓法成型。
[0028]將成型片在1220°C空氣下燒結(jié)2小時(shí)，得到致密的PZN-PZT陶瓷片，將燒結(jié)后的陶瓷片用磨片機(jī)磨至Imm左右，用絲網(wǎng)印刷法在上下表面刷上銀漿，在650°C空氣中燒銀。
[0029]對(duì)制備電極的陶瓷片測(cè)試其電滯回線和場(chǎng)致應(yīng)變。
[0030]實(shí)施例2
[0031]本實(shí)施例與實(shí)施例1各步驟基本相同，不同之處在于:
[0032]本實(shí)施例除了要合成ZnNb2O6之外，還要合成鈮酸鋁(AlNbO4),其制備方法:按照摩爾比1:1稱取Nb2O5和Al2O3,并充分混合球磨均勻，烘干后在1220°C煅燒2小時(shí)，將煅燒的產(chǎn)物AlNbO4研磨作為原料備用。
[0033]本實(shí)施例是按照化學(xué)式
[0034]0.02Pb (Al0.5Nb0.5) 03~0.18Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-0.8Pb (Zr0.52Ti0.48) O3 進(jìn)行配比。
[0035]實(shí)施例3
[0036]本實(shí)施例與實(shí)施例2各步驟基本相同，不同之處在于:本實(shí)施例是按照化學(xué)式
0.05Pb (Al0 5Nb0 5) O3-0.15Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-0.8Pb (Zr0 52Ti0 48) O3 進(jìn)行配比。
[0037]實(shí)施例4
[0038]本實(shí)施例與實(shí)施例2各步驟基本相同，不同之處在于:本實(shí)施例是按照化學(xué)式
0.08Pb (Al0 5Nb0 5) O3-0.12Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-0.8Pb (Zr0 52Ti0 48) O3 進(jìn)行配比。
[0039]實(shí)施例5
[0040]本實(shí)施例與實(shí)施例2各步驟基本相同，不同之處在于:本實(shí)施例是按照化學(xué)式
0.1Pb (Al。.5Nb0.5) O3-0.1Pb (Znl73Nb273) O3-0.8Pb (Zr0.52Ti0.48) O3 進(jìn)行配比。
[0041]由圖1可知，實(shí)施例1~5所制備的材料具有純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，且無(wú)明顯原料相及非目標(biāo)生成物相。
[0042]由圖2可知，實(shí)施例1所制備的材料，其等效壓電系數(shù)為480pm/V。
[0043]由圖3可知，實(shí)施例2所制備的材料，其等效壓電系數(shù)為502pm/V。
[0044]由圖4可知，實(shí)施例5所制備的材料，其等效壓電系數(shù)為767pm/V。
[0045]本發(fā)明中的含鉛壓電體系，室溫下，在3kv/mm的電場(chǎng)下可獲得~0.24%的應(yīng)變量，等效壓電系數(shù)高達(dá)767pm/V，在高應(yīng)變驅(qū)動(dòng)器中具有重要的應(yīng)用前景。
[0046]以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開(kāi)的原理下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具有高電致應(yīng)變的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷，其特征在于:所述的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷的組成成分為(XPb(Ala5Nba5)O3- (0.2-x) Pb (Znl73Nb273)O3-0.8Pb (Zr0.S2Ti0 48) O3)，其中 O ≤ χ〈0.20。
2.權(quán)利要求1所述的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷的方法，其特征在于:采用三步燒結(jié)法，具體的制備方法如下: (1)關(guān)于鈮酸鋁(AlNbO4)的制備:按照摩爾比1:1稱取Nb2O5和Al2O3,并充分混合球磨均勻，烘干后在1100°c~1200°C煅燒2~3小時(shí)，將煅燒的產(chǎn)物AlNbO4研磨作為原料備用； (2)關(guān)于鈮酸鋅(ZnNb2O6)的制備:按照摩爾比1:1稱取ZnO和Nb2O5，并混合球磨，烘干后在1100°C~1200°C煅燒2~3小時(shí)，將煅燒的產(chǎn)物ZnNb2O6研磨作為原料備用； (3)按化學(xué)計(jì)量比稱取原料ZrO2,TiO2, AlNbO4和ZnNb2O6,并按5%~10%的過(guò)量比稱取PbO,將原料混合球磨，球磨完以后烘干，將烘干后的粉料放入研缽中研磨使其混合均勻； (4)烘干原料壓成片狀，放入馬弗爐中，在1000°C~1100°C空氣中預(yù)燒2~3小時(shí)，研磨得到固溶體原料； (5)再次使用無(wú)水乙醇為介質(zhì)濕磨，烘干后得到磨細(xì)的原料； (6)將原料干壓成型； (7)成型片1200° C~1300°C空氣中燒結(jié)2~3小時(shí)，得到致密的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷材料。
3.權(quán)利要求1所述的鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域。
【文檔編號(hào)】C04B35/493GK103693960SQ201310674852
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】劉愛(ài)云, 衛(wèi)琳琳, 金成超, 姚其榮, 韓海龍, 王鵬, 李巖, 林方婷, 石旺舟 申請(qǐng)人:上海師范大學(xué)