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一种高性能压电陶瓷及其制备方法与流程

2021-01-31 02:01:00|301|起点商标网
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及其制备方法。
背景技术:
: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。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。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: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,本申请是一种改性的硬性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。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。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(mg1/3nb2/3)zzrytixo3+g%ceo2+h%pbo+b%cuo+d%nb2o5;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;g%、h%、b%、d%表示相应材料所占pbnsrm(mg1/3nb2/3)zzrytixo3的质量百分比。本申请提供一种高性能压电陶瓷,以pb(mg1/3nb2/3)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,本申请相较现有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,本申请是一种改性的硬性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。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。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。本申请通过先合成pb(mg1/3nb2/3)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。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。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。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。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。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。一种高性能压电陶瓷的制备方法,包括以下步骤:1)以pb3o4、mgo、nb2o5为原料,按pb(mg1/3nb2/3)o3的配比混匀,在1000℃-1200℃的温度下保温2-4小时合成pb(mg1/3nb2/3)o3;2)以pb(mg1/3nb2/3)o3、srco3、tio2、zro2、nb2o5、ceo2、pbo、cuo为原料,按pbnsrm(mg1/3nb2/3)zzrytixo3+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(mg1/3nb2/3)zzrytixo3+g%ceo2+h%pbo+b%cuo+d%nb2o5混合粉料;3)将pbnsrm(mg1/3nb2/3)zzrytixo3+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;4)将陶瓷样品进行极化,得到所述高性能压电陶瓷。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。本发明相对于现有技术,有以下优点:本发明提供一种高性能压电陶瓷材料,其化学通式为:pbnsrm(mg1/3nb2/3)zzrytixo3+g%ceo2+h%pbo+b%cuo+d%nb2o5,以pb(mg1/3nb2/3)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,本申请相较现有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,制得的产品具有高密度、高功率、高效率、高品质因素的特点,本申请是一种改性的硬性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。本申请的高性能压电陶瓷的制备方法,先合成pb(mg1/3nb2/3)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。具体实施方式下面对本发明技术作具体说明: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:实施例1:所述高性能压电陶瓷的化学通式为:pb0.953sr0.047(mg1/3nb2/3)0.6zr0.25ti0.6o3+0.7%ceo2+0.2%pbo+0.1%cuo+0.25%nb2o5;一种高性能压电陶瓷的制备方法,包括以下步骤:1)以pb3o4、mgo、nb2o5为原料,按pb(mg1/3nb2/3)o3的配比混匀,在1100℃的温度下保温3小时合成pb(mg1/3nb2/3)o3;2)以pb(mg1/3nb2/3)o3、srco3、tio2、zro2、nb2o5、ceo2、pbo、cuo为原料,按pb0.953sr0.047(mg1/3nb2/3)0.6zr0.25ti0.6o3+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pb0.953sr0.047(mg1/3nb2/3)0.6zr0.25ti0.6o3+0.7%ceo2+0.2%pbo+0.1%cuo+0.25%nb2o5混合粉料;3)将pb0.953sr0.047(mg1/3nb2/3)0.6zr0.25ti0.6o3+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;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。实施例2:所述高性能压电陶瓷的化学通式为:pb0.927sr0.073(mg1/3nb2/3)0.2zr0.4ti0.4o3+0.4%ceo2+0.3%pbo+0.3%cuo+0.2%nb2o5;一种高性能压电陶瓷的制备方法,包括以下步骤:1)以pb3o4、mgo、nb2o5为原料,按pb(mg1/3nb2/3)o3的配比混匀,在1000℃的温度下保温4小时合成pb(mg1/3nb2/3)o3;2)以pb(mg1/3nb2/3)o3、srco3、tio2、zro2、nb2o5、ceo2、pbo、cuo为原料,按pb0.927sr0.073(mg1/3nb2/3)0.2zr0.4ti0.4o3+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pb0.927sr0.073(mg1/3nb2/3)0.2zr0.4ti0.4o3+0.4%ceo2+0.3%pbo+0.3%cuo+0.2%nb2o5混合粉料;3)将pb0.927sr0.073(mg1/3nb2/3)0.2zr0.4ti0.4o3+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;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。实施例3:所述高性能压电陶瓷的化学通式为:pb0.942sr0.058(mg1/3nb2/3)0.3zr0.25ti0.45o3+0.6%ceo2+0.23%pbo+0.2%cuo+0.1%nb2o5;一种高性能压电陶瓷的制备方法,包括以下步骤:1)以pb3o4、mgo、nb2o5为原料,按pb(mg1/3nb2/3)o3的配比混匀,在1200℃的温度下保温2小时合成pb(mg1/3nb2/3)o3;2)以pb(mg1/3nb2/3)o3、srco3、tio2、zro2、nb2o5、ceo2、pbo、cuo为原料,按pb0.942sr0.058(mg1/3nb2/3)0.3zr0.25ti0.45o3+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pb0.942sr0.058(mg1/3nb2/3)0.3zr0.25ti0.45o3+0.6%ceo2+0.23%pbo+0.2%cuo+0.1%nb2o5混合粉料;3)将pb0.942sr0.058(mg1/3nb2/3)0.3zr0.25ti0.45o3+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;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。实施例4:所述高性能压电陶瓷的化学通式为:pb0.976sr0.024(mg1/3nb2/3)0.25zr0.35ti0.4o3+0.5%ceo2+0.27%pbo+0.25%cuo+0.3%nb2o5;一种高性能压电陶瓷的制备方法,包括以下步骤:1)以pb3o4、mgo、nb2o5为原料,按pb(mg1/3nb2/3)o3的配比混匀,在1050℃的温度下保温3.5小时合成pb(mg1/3nb2/3)o3;2)以pb(mg1/3nb2/3)o3、srco3、tio2、zro2、nb2o5、ceo2、pbo、cuo为原料,按pb0.976sr0.024(mg1/3nb2/3)0.25zr0.35ti0.4o3+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pb0.976sr0.024(mg1/3nb2/3)0.25zr0.35ti0.4o3+0.5%ceo2+0.27%pbo+0.25%cuo+0.3%nb2o5混合粉料;3)将pb0.976sr0.024(mg1/3nb2/3)0.25zr0.35ti0.4o3+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;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。对比例1为市售pzt体系压电陶瓷。表1:实施例1~4中高性能压电陶瓷的化学通式配比: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将实施例1-4所制备的高性能压电陶瓷和对比文件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:表2:实施例1~4和对比例1的性能测试结果由上述对比实验可知,本申请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,本申请提供一种高性能压电陶瓷,以pb(mg1/3nb2/3)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,本申请相较现有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,本申请是一种改性的硬性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。以上所述仅为本申请的较佳实施例而已,并不用以限制本申请,凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。当前第1页1 2 3 

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