一种低温制备的高性能PZT改性压电陶瓷

一种低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷
技术领域
1.本发明领域属于压电陶瓷材料领域，具体涉及一种低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷。


背景技术：

2.pzt是传统的压电陶瓷，具有良好的介电、铁电、压电、热释电等效应，其原料价格低廉，适于工厂化生产，对其改性可以得到适用于多种用途的陶瓷材料。多层压电陶瓷有交替陶瓷层和内部金属电极层。随着科学技术的高速发展，多层压电陶瓷得到了越来越广泛的研究，广泛应用于制动器、转换器、传感器。一般将ag-pd电极用于多层陶瓷的内电极，其共烧温度范围为920～980
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c，而纯ag的内电极则要求不高于900
ꢀ°
c的烧结温度。传统pzt压电陶瓷在约1200
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c高温下烧结，因此内部电极不能在这么高的温度下使用纯ag（熔点≈961
ꢀ°
c），而ag-pd电极层也会扩散到陶瓷层，导致陶瓷电学性能的恶化，从而影响多层器件的可靠性。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对现有技术的不足，本发明的第一个目的是提供一种低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷材料配方，该压电陶瓷烧结温度低，并且兼具良好的压电性能；本发明的第二个目的是提供上述低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷的制备方法，以降低pzt改性压电陶瓷的烧结温度，同时提高压电性能。
4.针对本发明的第一个发明目的，本发明提供一种低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷，该压电陶瓷的化学通式为pb1‒
x
‒yli
x
caytau[(ni,zn)
1/3
nb
2/3
]v(mg
1/2w1/2
)w(ti,zr)1‒u‒v‒wo3表示，0.1≤x≤0.5，0.1≤y≤0.5, 0.1≤u≤0.9, 0.01≤v≤0.10, 0.01≤w≤0.10。
[0005]
针对本发明的第二个发明目的，通过在pzt改性压电陶瓷中引入多种元素ta、li、ca、ni、zn、w、mg、nb进入a或b位，在850～950
ꢀ°
c的烧结温度下，制备得到兼具良好压电性能的pzt改性压电陶瓷，具体工艺步骤如下：(1) pzt改性陶瓷粉体的制备按照通式pb1‒
x
‒yli
x
caytau[(ni,zn)
1/3
nb
2/3
]v(mg
1/2w1/2
)w(ti,zr)1‒u‒v‒wo3表示，0.1≤x≤0.5，0.1≤y≤0.5, 0.1≤u≤0.9, 0.01≤v≤0.10, 0.01≤w≤0.10，计算称量各原料，将各原料通过球磨破碎并混合均匀后，在750 ~850
ꢀ°
c下保温2~4 h，保温结束后冷却至室温并再次球磨破碎，得到pzt改性陶瓷粉体；(2) 造粒压片向步骤（1）所得pzt改性陶瓷粉体中加入5~10 wt%的聚乙烯醇溶液进行造粒，然后将所得粒料压制成片，得到pzt改性陶瓷片；(3) 排胶烧结将步骤（2）所得pzt改性陶瓷片排胶后在850~950
ꢀ°
c下保温烧结2~4 h，得到烧结
pzt改性压电陶瓷片；(4)极化将步骤（3）所得得到烧结pzt改性压电陶瓷圆片表面涂覆5~15 wt%的银浆后，在650~750
ꢀ°
c下保温烧结10~20 min，保温结束后冷却至室温，然后在硅油中进行极化，得到高性能pzt改性压电陶瓷。
[0006]
上述方法中，步骤（1）中两次球磨的具体工艺优选为：以无水乙醇为分散介质，按照各原料总量与无水乙醇的质量比为1:1.5将各原料和无水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨机上以100~450 rmp的转速球磨10~24 h，球磨后进行干燥。所述干燥可以是在烤灯下烘烤2~3小时。
[0007]
上述方法中， 将所得粒料压制成片的具体工艺优选为：在10~20 mpa的压力下压制成直径约为10~15 mm，厚度约为0.8~1.2 mm的高性能pzt改性压电陶瓷片。
[0008]
上述方法中，步骤（2）中所述聚乙烯醇溶液的浓度为最好为5~10 wt%。
[0009]
上述方法中，步骤(3)中排胶的具体工艺优选为：将步骤（2）所得pzt改性陶瓷片在450~550
ꢀ°
c下保温4~10 h。
[0010]
上述方法中，步骤（4）中在硅油中进行极化的具体工艺为：在60~120
ꢀ°
c的硅油中，极化场强为2~5 kv/mm条件下保持电场强度15~30 min。
[0011]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、本发明提供的高性能pzt改性压电陶瓷，烧结温度低，为850～950
ꢀ°
c并具有良好的压电性能，d
33
高达640 pc/n，在室温下利用安捷伦4294a精密阻抗仪在1 khz的频率下测得介电损耗不大于千分之三，且居里温度大于300
ꢀ°
c，如图3所示。
[0012]
2、本发明提供的低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷，其物相为纯钙钛矿相，如图1所示，加入的ca、li、ta、mg、w、ni、zn、nb元素提高了烧结活性使晶粒致密均匀且生长充分，致密。
附图说明
[0013]
图1是实施例1～6制备得到的压电陶瓷材料的x射线衍射（xrd）图谱。
[0014]
图2是实施例1～6制备得到的压电陶瓷材料的压电性能图。
[0015]
图3是实施例1～6制备得到的压电陶瓷材料的介电常数随温度的变化。
[0016]
图4是实施例2制备得到的压电陶瓷材料的电声器件示意图。
具体实施方式
[0017]
下面通过具体实施方式对本发明所述低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷作进一步说明。
[0018]
实施例1(1) pzt改性陶瓷粉体的制备按照通式pb1‒
x
‒yli
x
caytau[(ni,zn)
1/3
nb
2/3
]v(mg
1/2w1/2
)w(ti,zr)1‒u‒v‒wo3表示，（x=0.2, y=0.3, u=0.1, v=0.08, w=0.04）计算称量各原料，以无水乙醇为分散介质，按照各原料总量与无水乙醇的质量比为1:1.5将各原料和无水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨机上以100 rmp的转速球磨24 h，球磨后烤灯下烘烤2小时进行干燥得到混合粉料，将所得混
合粉料在800
ꢀ°
c下保温3h，保温结束后冷却至室温并再次按照相同方法进行第二次球磨，球磨后烤灯下烘烤3小时进行干燥，得到pzt改性陶瓷粉体；(2) 造粒压片向步骤（1）所得pzt改性陶瓷粉体中加入浓度为10 wt%的聚乙烯醇溶液进行造粒，然后在10 mpa的压力下压制成直径约为10mm，厚度约为1.2 mm的pzt改性压电陶瓷圆片；(3) 排胶烧结将步骤（2）所得pzt改性陶瓷片在550
ꢀ°
c下保温4 h进行排胶后，在850
ꢀ°
c下保温烧结4 h，得到烧结pzt改性压电陶瓷片；(4) 极化将步骤（3）所得烧结pzt改性压电陶瓷圆片表面涂覆10 wt%的银浆后，在650
ꢀ°
c下保温烧结20 min，保温结束后冷却至室温，然后在在60
ꢀ°
c的硅油中，极化场强为5 kv/mm条件下保持电场强度15 min进行极化，得到低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷。
[0019]
制得的低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷的xrd图谱见图1，图1表明pzt压电陶瓷为纯钙钛矿相；采用中科院声学所的zj-3型准静态d
33
仪，测得的压电系数的d
33
见图3，为322 pc/n；利用安捷伦4980a精密阻抗仪连接温控炉测得介电常数随温度的变化，可从图4得到样品的居里温度为171
ꢀ°
c。
[0020]
实施例2(1) pzt改性陶瓷粉体的制备按照通式按照通式pb1‒
x
‒yli
x
caytau[(ni,zn)
1/3
nb
2/3
]v(mg
1/2w1/2
)w(ti,zr)1‒u‒v‒wo3表示，（x=0.2, y=0.3, u=0.2, v=0.08, w=0.04）计算称量各原料，以无水乙醇为分散介质，按照各原料总量与无水乙醇的质量比为1:1.5将各原料和无水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨机上以450 rmp的转速球磨10 h，球磨后烤灯下烘烤3小时进行干燥得到混合粉料，将所得混合粉料在750
ꢀ°
c下保温4 h，保温结束后冷却至室温并再次按照相同方法进行第二次球磨，球磨后烤灯下烘烤3小时进行干燥，得到pzt改性陶瓷粉体；(2) 造粒压片向步骤（1）所得pzt改性陶瓷粉体中加入浓度为8 wt%的聚乙烯醇溶液进行造粒，然后在20 mpa的压力下压制成直径约为14 mm，厚度约为0.9 mm的pzt改性压电陶瓷圆片；(3) 排胶烧结将步骤（2）所得pzt改性陶瓷片在550
ꢀ°
c下保温4 h进行排胶后，在900
ꢀ°
c下保温烧结3 h，得到烧结pzt改性压电陶瓷片；(4) 极化将步骤（3）所得烧结pzt改性压电陶瓷圆片表面涂覆12 wt%的银浆后，在700
ꢀ°
c下保温烧结10 min，保温结束后冷却至室温，然后在在60
ꢀ°
c的硅油中，极化场强为2 kv/mm条件下保持电场强度30 min进行极化，得到低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷。
[0021]
制得的低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷的xrd图谱见图1，图1表明pzt压电陶瓷为纯钙钛矿相；采用中科院声学所的zj-3型准静态d
33
仪，测得的压电系数的d
33
见图3，为513 pc/n；利用安捷伦4980a精密阻抗仪连接温控炉测得介电常数随温度的变化，可从图4得到样品的居里温度为178
ꢀ°
c。
[0022]
实施例3
(1) pzt改性陶瓷粉体的制备按照通式pb1‒
x
‒yli
x
caytau[(ni,zn)
1/3
nb
2/3
]v(mg
1/2w1/2
)w(ti,zr)1‒u‒v‒wo3表示，（x=0.2, y=0.3, u=0.3, v=0.08, w=0.04）计算称量各原料，以无水乙醇为分散介质，按照各原料总量与无水乙醇的质量比为1:1.5将各原料和无水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨机上以300 rmp的转速球磨18 h，球磨后烤灯下烘烤3小时进行干燥得到混合粉料，将所得混合粉料在850
ꢀ°
c下保温2 h，保温结束后冷却至室温并再次按照相同方法进行第二次球磨，球磨后烤灯下烘烤2小时进行干燥，得到pzt改性陶瓷粉体；(2) 造粒压片向步骤（1）所得pzt改性陶瓷粉体中加入浓度为10 wt%的聚乙烯醇溶液进行造粒，然后在15 mpa的压力下压制成直径约为13 mm，厚度约为1mm的pzt改性压电陶瓷圆片；(3) 排胶烧结将步骤（2）所得pzt改性陶瓷片在450
ꢀ°
c下保温10 h进行排胶后，在950
ꢀ°
c下保温烧结2h，得到烧结pzt改性压电陶瓷片；(4) 极化将步骤（3）所得烧结pzt改性压电陶瓷圆片表面涂覆5wt%的银浆后，在750
ꢀ°
c下保温烧结10 min，保温结束后冷却至室温，然后在在60
ꢀ°
c的硅油中，极化场强为4 kv/mm条件下保持电场强度16min进行极化，得到低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷。
[0023]
制得的低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷的xrd图谱见图1，图1表明pzt压电陶瓷为纯钙钛矿相；采用中科院声学所的zj-3型准静态d
33
仪，测得的压电系数的d
33
见图3，为608 pc/n；利用安捷伦4980a精密阻抗仪连接温控炉测得介电常数随温度的变化，可从图4得到样品的居里温度为173
ꢀ°
c。其sem图见图2，显示其晶粒尺寸均匀，晶粒间较为致密。
[0024]
实施例4(1) pzt改性陶瓷粉体的制备按照通式pb1‒
x
‒yli
x
caytau[(ni,zn)
1/3
nb
2/3
]v(mg
1/2w1/2
)w(ti,zr)1‒u‒v‒wo3表示，（x=0.2, y=0.3, u=0.4, v=0.08, w=0.04）计算称量各原料，以无水乙醇为分散介质，按照各原料总量与无水乙醇的质量比为1:1.5将各原料和无水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨机上以200 rmp的转速球磨20 h，球磨后烤灯下烘烤3小时进行干燥得到混合粉料，将所得混合粉料在800
ꢀ°
c下保温3h，保温结束后冷却至室温并再次按照相同方法进行第二次球磨，球磨后烤灯下烘烤3小时进行干燥，得到pzt改性陶瓷粉体；(2) 造粒压片向步骤（1）所得pzt改性陶瓷粉体中加入浓度为10 wt%的聚乙烯醇溶液进行造粒，然后在20 mpa的压力下压制成直径约为15 mm，厚度约为0.8mm的pzt改性压电陶瓷圆片；(3) 排胶烧结将步骤（2）所得pzt改性陶瓷片在500
ꢀ°
c下保温8 h进行排胶后，在900
ꢀ°
c下保温烧结4 h，得到烧结pzt改性压电陶瓷片；(4) 极化将步骤（3）所得烧结pzt改性压电陶瓷圆片表面涂覆15 wt%的银浆后，在650
ꢀ°
c下保温烧结15 min，保温结束后冷却至室温，然后在在60
ꢀ°
c的硅油中，极化场强为5 kv/mm条件下保持电场强度25 min进行极化，得到低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷。
[0025]
制得的低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷的xrd图谱见图1，图1表明pzt压电陶瓷为纯钙钛矿相；采用中科院声学所的zj-3型准静态d
33
仪，测得的压电系数的d
33
见图3，为555 pc/n；利用安捷伦4980a精密阻抗仪连接温控炉测得介电常数随温度的变化，可从图4得到样品的居里温度为177
ꢀ°
c。
[0026]
实施例5(1) pzt改性陶瓷粉体的制备按照通式pb1‒
x
‒yli
x
caytau[(ni,zn)
1/3
nb
2/3
]v(mg
1/2w1/2
)w(ti,zr)1‒u‒v‒wo3表示，（x=0.2, y=0.3, u=0.5, v=0.08, w=0.04）计算称量各原料，以无水乙醇为分散介质，按照各原料总量与无水乙醇的质量比为1:1.5将各原料和无水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨机上以400 rmp的转速球磨11 h，球磨后烤灯下烘烤2小时进行干燥得到混合粉料，将所得混合粉料在750
°
c下保温4 h，保温结束后冷却至室温并再次按照相同方法进行第二次球磨，球磨后烤灯下烘烤3小时进行干燥，得到pzt改性陶瓷粉体；(2) 造粒压片向步骤（1）所得pzt改性陶瓷粉体中加入浓度为6 wt%的聚乙烯醇溶液进行造粒，然后在18 mpa的压力下压制成直径约为10 mm，厚度约为1.2 mm的pzt改性压电陶瓷圆片；(3) 排胶烧结将步骤（2）所得pzt改性陶瓷片在500
ꢀ°
c下保温7h进行排胶后，在900
ꢀ°
c下保温烧结4 h，得到烧结pzt改性压电陶瓷片；(4) 极化将步骤（3）所得烧结pzt改性压电陶瓷圆片表面涂覆10 wt%的银浆后，在750
ꢀ°
c下保温烧结12min，保温结束后冷却至室温，然后在在60
ꢀ°
c的硅油中，极化场强为3kv/mm条件下保持电场强度30 min进行极化，得到低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷。
[0027]
制得的低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷的xrd图谱见图1，图1表明pzt压电陶瓷为纯钙钛矿相；采用中科院声学所的zj-3型准静态d
33
仪，测得的压电系数的d
33
见图3，为557pc/n；利用安捷伦4980a精密阻抗仪连接温控炉测得介电常数随温度的变化，可从图4得到样品的居里温度为175
ꢀ°
c。
[0028]
实施例6(1) pzt改性陶瓷粉体的制备按照通式pb1‒
x
‒yli
x
caytau[(ni,zn)
1/3
nb
2/3
]v(mg
1/2w1/2
)w(ti,zr)1‒u‒v‒wo3表示，（x=0.2, y=0.3, u=0.6, v=0.08, w=0.04）计算称量各原料，以无水乙醇为分散介质，按照各原料总量与无水乙醇的质量比为1:1.5将各原料和无水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨机上以100 rmp的转速球磨24 h，球磨后烤灯下烘烤2小时进行干燥得到混合粉料，将所得混合粉料在800
ꢀ°
c下保温3h，保温结束后冷却至室温并再次按照相同方法进行第二次球磨，球磨后烤灯下烘烤3小时进行干燥，得到pzt改性陶瓷粉体；(2) 造粒压片向步骤（1）所得pzt改性陶瓷粉体中加入浓度为10 wt%的聚乙烯醇溶液进行造粒，然后在10 mpa的压力下压制成直径约为10mm，厚度约为1.2 mm的pzt改性压电陶瓷圆片；(3) 排胶烧结将步骤（2）所得pzt改性陶瓷片在550
ꢀ°
c下保温4 h进行排胶后，在850
ꢀ°
c下保温
烧结4 h，得到烧结pzt改性压电陶瓷片；(4) 极化将步骤（3）所得烧结pzt改性压电陶瓷圆片表面涂覆10 wt%的银浆后，在650
ꢀ°
c下保温烧结20 min，保温结束后冷却至室温，然后在在60
ꢀ°
c的硅油中，极化场强为5 kv/mm条件下保持电场强度15 min进行极化，得到低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷。
[0029]
制得的低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷的xrd图谱见图1，图1表明pzt压电陶瓷为纯钙钛矿相；采用中科院声学所的zj-3型准静态d
33
仪，测得的压电系数的d
33
见图3，为509 pc/n；利用安捷伦4980a精密阻抗仪连接温控炉测得介电常数随温度的变化，可从图4得到样品的居里温度为179
ꢀ°
c。
[0030]
实施例7(1) pzt改性陶瓷粉体的制备按照通式pb1‒
x
‒yli
x
caytau[(ni,zn)
1/3
nb
2/3
]v(mg
1/2w1/2
)w(ti,zr)1‒u‒v‒wo3表示，（x=0.2, y=0.3, u=0.7, v=0.08, w=0.04）计算称量各原料，以无水乙醇为分散介质，按照各原料总量与无水乙醇的质量比为1:1.5将各原料和无水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨机上以100 rmp的转速球磨24 h，球磨后烤灯下烘烤2小时进行干燥得到混合粉料，将所得混合粉料在800
ꢀ°
c下保温3h，保温结束后冷却至室温并再次按照相同方法进行第二次球磨，球磨后烤灯下烘烤3小时进行干燥，得到pzt改性陶瓷粉体；(2) 造粒压片向步骤（1）所得pzt改性陶瓷粉体中加入浓度为10 wt%的聚乙烯醇溶液进行造粒，然后在10 mpa的压力下压制成直径约为10mm，厚度约为1.2 mm的pzt改性压电陶瓷圆片；(3) 排胶烧结将步骤（2）所得pzt改性陶瓷片在550
ꢀ°
c下保温4 h进行排胶后，在850
ꢀ°
c下保温烧结4 h，得到烧结pzt改性压电陶瓷片；(4) 极化将步骤（3）所得烧结pzt改性压电陶瓷圆片表面涂覆10 wt%的银浆后，在650
ꢀ°
c下保温烧结20 min，保温结束后冷却至室温，然后在在60
ꢀ°
c的硅油中，极化场强为5 kv/mm条件下保持电场强度15 min进行极化，得到低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷。
[0031]
实施例8(1) pzt改性陶瓷粉体的制备按照通式pb1‒
x
‒yli
x
caytau[(ni,zn)
1/3
nb
2/3
]v(mg
1/2w1/2
)w(ti,zr)1‒u‒v‒wo3表示，（x=0.2, y=0.3, u=0.8, v=0.08, w=0.04）计算称量各原料，以无水乙醇为分散介质，按照各原料总量与无水乙醇的质量比为1:1.5将各原料和无水乙醇加入球磨罐中，在行星球磨机上以100 rmp的转速球磨24 h，球磨后烤灯下烘烤2小时进行干燥得到混合粉料，将所得混合粉料在800
ꢀ°
c下保温3h，保温结束后冷却至室温并再次按照相同方法进行第二次球磨，球磨后烤灯下烘烤3小时进行干燥，得到pzt改性陶瓷粉体；(2) 造粒压片向步骤（1）所得pzt改性陶瓷粉体中加入浓度为10 wt%的聚乙烯醇溶液进行造粒，然后在10 mpa的压力下压制成直径约为10mm，厚度约为1.2 mm的pzt改性压电陶瓷圆片；(3) 排胶烧结
将步骤（2）所得pzt改性陶瓷片在550
ꢀ°
c下保温4 h进行排胶后，在850
ꢀ°
c下保温烧结4 h，得到烧结pzt改性压电陶瓷片；(4) 极化将步骤（3）所得烧结pzt改性压电陶瓷圆片表面涂覆10 wt%的银浆后，在650
ꢀ°
c下保温烧结20 min，保温结束后冷却至室温，然后在在60
ꢀ°
c的硅油中，极化场强为5 kv/mm条件下保持电场强度15 min进行极化，得到低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷应用例1将实施例6制备得到的低温制备的高性能pzt改性压电陶瓷材料制备成厚度0.2毫米，直径12毫米的圆片，加上电极、引线、膜片、外壳等做成电声器件，如图4所示。