專利名稱：添加碳酸鋇的鈮銻酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷及其制備方法
技術領域：
本發明是關于以成分為特征的陶瓷組合物的，尤其涉及鋇摻雜鈮銻酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。
背景技術：
壓電陶瓷是一種實現機械能與電能相互轉化的功能陶瓷材料，它既具有鐵電陶瓷的一般性能，又具有獨特的壓電性能。壓電陶瓷材料由于具有獨特的壓電性能，優異的機電耦合性能及介電性和彈性性能，且制備工藝簡單、體積小、不受電磁干擾、成本低等特點，因此在航天、信息、生物、精密儀器等高新技術領域及工業生產中都得到了廣泛應用。壓電陶瓷的應用主要分兩個方面壓電振子和換能器。在壓電振子應用方面，主要是振蕩器、諧振器、濾波器、延遲線、變壓器等。壓電陶瓷變壓器是20世紀50年代開始研制的一種新型壓電器件，具有升壓比高、重量輕、體積小、驅動電壓低、無泄漏電磁場等優點，目前壓電變壓器已用于電子計算機顯示設備、雷達顯示器、掃描電子顯微鏡、靜電除塵、 離子發生器和壓電材料的極化等所需高壓設備中。在換能器應用方面，主要是傳聲器、超聲換能器、測量儀器等。在科學和工農業生產等各個方面需要把檢測到的非電學量信息變成電學量，以便于放大、運算、傳送記錄和顯示，能完成這種轉換的主要器件是以固體元件為主的電子傳感器。用壓電陶瓷制成的測量和感知各種物理量及其變化的傳感器，則是最佳的選擇，壓電傳感器也已經成為各種檢測儀器和控制系統的關鍵部件。主要有壓電陀螺、壓電加速度計、壓電陶瓷流量計、壓電電子稱、壓電計數器、結霜傳感器、表面粗糙度測量儀、 擺鐘綜合測試儀和磨削接觸檢測儀等。PSN-PZT三元系壓電陶瓷材料以其較好的介電性能，較穩定的諧振頻率，較高的機電耦合系數和居里溫度而被廣泛研究和應用。研究者們主要是從三個方面去調節PSN-PZT 的介電等綜合性能。一是改變Zr/Ti和(Sb1/2Nb1/2)量；二是摻雜改性，包括等價離子(如 Ba2+等)和不等價離子(如Nb5+等)摻雜等；三是改變制備工藝(如合成與燒結溫度、極化制度)等。眾所周知，PSN-PZT陶瓷的特點是機電耦合系數高，穩定性好，但是綜合性能一般，限制了其使用范圍。

發明內容
本發明的目的是在現有技術的基礎上，通過摻雜不同摩爾含量的鈦酸鋇，提供一種具有更好綜合壓電性能的銻酸鉛-鋯鈦酸鉛(PSN-PZT)壓電陶瓷及其制備方法。本發明通過以下技術方案予以實現。—種添加碳酸鋇的鈮銻酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其原料組分及其摩爾百分比含量為 pVxBax (Zra52Tici. Jci98(Nbv2SbliZ2)aci2O3,其中 x = 4. Omol % 12. Omol %。所述壓電陶瓷是單一鈣鈦礦結構。一種添加碳酸鋇的鈮銻酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，具有如下步驟⑴配料
按PbhBax(Zra52Tia48)a98(Nbv2Sbv2)atl2O3 化學計量比配料，其中 x = Omol % 12. Omol %，原料為Pb3O4' ZrO2, Ti02、Sb2O3' Nb2O5和BaCO3,于球磨罐中混料，球料水的重量比為2 I O. 5,球磨時間為3h,然后將原料烘干；⑵合成將步驟(I)烘干后的原料放入氧化鋁坩堝內，加蓋密封，于900°C合成2h ；(3)成型及排塑將步驟(2)的合成料再次球磨、烘干，外加7wt%的聚乙烯醇水溶液進行造粒，過篩后在400Mpa的壓強下壓制成型為坯體；然后以3°C /min的速率將坯體升溫至200°C，再以I. 5°C /min速率從200°C升至400°C，在400°C保溫30min后，以5°C /min的速率升至 650°C并保溫lOmin，排出有機物；(4)燒結將步驟(3)排出有機物的坯體采用鋯鈦酸鉛粉料埋燒，以6°C /min速率升溫至 1260。。 1280°C保溫2h，隨爐冷卻；(5)燒銀將步驟⑷燒結好的壓電陶瓷片打磨至厚度為O. 9 I. 1mm，采用絲網印刷工藝在其上、下表面印刷銀漿，置于加熱爐中，升溫至735°C并保溫lOmin，自然冷卻至室溫；(6)極化將步驟(5)的燒銀制品，置于120°C的硅油中，施加3KV/mm的直流電場，極化 15min ；(7)測試壓電性能將步驟(6)極化處理的壓電陶瓷片，于室溫下靜置24h后測試其壓電性能。所述步驟(I)的球磨介質為去離子水和瑪瑙球，球磨機的轉速為750r/min。所述步驟⑴的最佳鈦酸鋇的摻雜量為4. Omol %。所述步驟⑷的最佳燒結溫度為1280°C。本發明的有益效果是，通過Ba2+的A位取代，使處于準同型相界附近的PSN-PZT壓電陶瓷結構發生變化，使得晶胞體積增大，c/a軸比減小，從而使陶瓷材料的壓電、介電性能得以提高，損耗減小，綜合電學性能得到提高。在摻雜量為4. Om0l%、燒結溫度為1280°C時獲得最佳綜合性能d33 = 467pC/N，kp = 74. 5%,4 Ao =2356, tan δ = I. 45%。


圖I是本發明所有實施例的‘/^和tan δ的變化圖譜；圖2是本發明所有實施例的機電耦合系數Kp的變化圖譜；圖3是本發明所有實施例的壓電系數系數d33的變化圖譜；圖4是本發明實施例(2-1、2-2、2-3、2_4)的XRD圖譜；圖5是本發明實施例(2-1、2-2、2-3、2-4)的介溫圖譜。
具體實施例方式本發明采用市售的化學純原料(純度彡99% )，為Pb3O4、ZrO2、TiO2、Sb203、Nb2O5和 BaCO30制備步驟如下
(I)配料將原料Pb304、Zr02、Ti02、Sb2O3、Nb2O5、BaCO3 按 Pb1^xBax (Zr0 52Ti0 48) 0 98 (Nb1/2Sb1/2) 0 .O2O3化學計量比配料,其中X = 4. Omol1^ 12. OmoH于球磨中混料,球料水的重量比為2 : I : O. 5，球磨時間為3h，再將原料烘干；(2)合成將步驟(I)烘干后的粉料放入氧化鋁坩堝內，加蓋密封，于900°C合成2h ；(3)成型及排塑將步驟(2)的合成料再次球磨、烘干，外加7wt%的聚乙烯醇水溶液進行造粒，過篩后在400Mpa的壓強下壓制成型為坯體；然后以3°C /min的速率將坯體升溫至200°C，再以I. 5°C /min速率從200°C升至400°C，在400°C保溫30min后，以5°C /min的速率升至 650°C并保溫lOmin，排出有機物；(4)燒結將步驟(3)排出有機物的坯體采用鋯鈦酸鉛粉料埋燒，以6°C /min速率升溫至 1260。。 1280°C保溫2h，隨爐冷卻；(5)燒銀將步驟(4)燒結好的壓電陶瓷片打磨至厚度為1mm，采用絲網印刷工藝在其上、下表面印刷銀漿，置于加熱爐中，升溫至735°C并保溫lOmin，自然冷卻至室溫；(6)極化將步驟(5)中的燒銀制品，置于120°C的硅油中，施加3KV/mm的直流電場，極化 15min ；(7)測試綜合電學性能將步驟(6)極化處理的壓電陶瓷片，于室溫下靜置24h后測試其壓電性能。本發明具體實施例詳見表I。表I
權利要求
1.一種添加碳酸鋇的鈮銻酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其原料組分及其摩爾百分比含量為 PVxBax(Zra52Tia48)a98(Nbv2SbliZ2) 0.0203，其中 x = 4. Omol12. Omol%。
2.根據權利要求I的添加碳酸鋇的鈮銻酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在于，所述原料為 Pb3O4, ZrO2, TiO2, Sb2O3, Nb2O5 和 BaCO30
3.根據權利要求I的添加碳酸鋇的鈮銻酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，其特征在于，所述壓電陶瓷是單一鈣鈦礦結構。
4.權利要求I的一種添加碳酸鋇的鈮銻酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，具有步驟如下(1)配料^ Pb1^xBax(Zr0 52Ti0 48) 0 98 (Nbl72Sbl72)O. O2O3 化學計量比配料，其中 x = 4. Omol % ~12.Omol %，原料為Pb3O4' ZrO2, Ti02、Sb2O3' Nb2O5和BaCO3,于球磨罐中混料，球料水的重量比為2 I O. 5,球磨時間為3h,然后將原料烘干；(2)合成將步驟(I)烘干后的原料放入氧化鋁坩堝內，加蓋密封，于900°C合成2h ；(3)成型及排塑將步驟(2)的合成料再次球磨、烘干，外加7wt%的聚乙烯醇水溶液進行造粒，過篩后在400Mpa的壓強下壓制成型為坯體；然后以3°C /min的速率將坯體升溫至200°C，再以I.50C /min速率從200°C升至400°C，在400°C保溫30min后，以5°C /min的速率升至650°C 并保溫lOmin，排出有機物；(4)燒結將步驟⑶排出有機物的坯體采用鋯鈦酸鉛粉料埋燒，以6°C /min速率升溫至 1260。。 1280°C保溫2h，隨爐冷卻；(5)燒銀將步驟(4)燒結好的壓電陶瓷片打磨至厚度為O. 9 I. 1mm，采用絲網印刷工藝在其上、下表面印刷銀漿，置于加熱爐中，升溫至735°C并保溫lOmin，自然冷卻至室溫；(6)極化將步驟(5)的燒銀制品，置于120°C的硅油中，施加3KV/_的直流電場，極化15min ；(7)測試壓電性能將步驟(6)極化處理的壓電陶瓷片，于室溫下靜置24h后測試其壓電性能。
5.根據權利要求2的添加碳酸鋇的鈮銻酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)的球磨介質為去離子水和瑪瑙球，球磨機的轉速為750r/min。
6.根據權利要求2的添加碳酸鋇的鈮銻酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)的最佳鈦酸鋇的摻雜量為4. Omol%。
7.根據權利要求2的添加碳酸鋇的鈮銻酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)的最佳燒結溫度為1280°C。
全文摘要
本發明公開了一種添加碳酸鋇的鈮銻酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，步驟為(1)按Pb1-xBax(Zr0.52Ti0.48)0.98(Nb1/2Sb1/2)0.02O3化學計量比配料，其中x＝4.0mol％～12.0mol％；(2)合成；(3)成型及排塑；(4)燒結，燒結溫度分別為1260℃～1280℃；(5)燒銀；(6)極化，極化溫度為120℃，極化電場為3.0KV/mm的直流電場，極化時間為15min。本發明通過摻雜不同含量的Ba2+使得PSN-PZT壓電陶瓷的綜合電學性能得到了顯著提高。在摻雜量為4.0mol％、燒結溫度為1280℃時獲得最佳綜合性能d33＝467pC/N，kp＝74.5％，tanδ＝1.45％。本發明可用于大功率驅動器、高溫檢測器件等對壓電陶瓷綜合性能有較高要求的器件。
文檔編號C04B35/49GK102584229SQ20121001314
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月14日 優先權日2012年1月14日
發明者劉志華, 吳濤, 孫清池, 李建平, 馬衛兵 申請人:天津大學