專利名稱：鈮镥酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種新型壓電陶瓷組合物及壓電陶瓷組合物的制備方法。該種壓電陶瓷組合物的化學(xué)式為(I-Xi)Pb(Lul72Nbv2)O3-XPbZrO3IPbTiO3，簡記為 PLuN-PZ-PT。該種材料是具有準同型相界結(jié)構(gòu)且居里溫度可以與PZT陶瓷相媲美的壓電組合物材料。屬于功能陶瓷領(lǐng)域。該種壓電陶瓷組合物適合用作壓電陶瓷濾波器，壓電陶瓷振蕩器，壓電陶瓷振子等壓電陶瓷元器件。
背景技術(shù)：
鐵電/壓電材料由于具備優(yōu)良的機電轉(zhuǎn)換性能、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種功能器件，如傳感器、換能器、聲納、驅(qū)動器、濾波器、微揚聲器等，在國民經(jīng)濟與國防安全中發(fā)揮著不可替代的重要作用。第二次世界大戰(zhàn)期間，美國，日本，和前蘇聯(lián)科學(xué)家?guī)缀?同時發(fā)現(xiàn)BaTiO3壓電材料，50年代B. Jaffe發(fā)現(xiàn)了 Pb (Zr1^xTix) O3,簡稱PZT。PZT陶瓷材料是ー種廣泛用于換能器(transducer)和執(zhí)行器(actuator)的傳統(tǒng)壓電材料，一直在壓電應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)主導(dǎo)地位。該材料存在準同型相界。PZT在準同型相界處表現(xiàn)壓電性能，PZT壓電陶瓷的壓電系數(shù)d33 700pC/N，機電耦合系數(shù)k33 70%。但是PZT陶瓷燒結(jié)問題高(Ts > 12500C )，PbO熔點較低，這導(dǎo)致了高溫?zé)Y(jié)PZT陶瓷，其容易偏離理想組分。另外，PZT單晶生長特別的困難，到目前為止，準同型相界區(qū)的PZT單晶的生長仍然是個無法克服的難題。還有，PZT陶瓷矯頑場相對較小，不適合大功率的傳感器的使用。鑒于以上的考慮，為了尋找ー種能用于大功率且具有高居里溫度的壓電材料，我們開展了對(1-x-y) Pb (Lu1/2Nb1/2) 03-xPbZr03-yPbTi03 (PLuN-PZ-PT)固溶體系的研究。研究了三元體系PLuN-PZ-PT在準同型相界區(qū)域及附近組分的制備方法、結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能，為壓電領(lǐng)域提供ー種新型且能用于大功率器件的高居里溫度的壓電材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述提出的問題尋找ー種新型的鐵電材料并研究其制備エ藝，以解決現(xiàn)有高居里溫度鐵電單晶難生長和沒有較好的適用于大功率器件的壓電材料，為壓電材料増加一種新產(chǎn)品。該材料可廣泛用于壓電器件領(lǐng)域。本發(fā)明提供的ー種新型的壓電陶瓷組合物材料，其特征在干化學(xué)組成為(I-Xi)Pb(Luv2Nbv2)03-xPbZr03_yPbTi03，簡寫為PLuN-PZ_PT，屬于典型的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。其中,X = 0. I 0. 6,y = 0. 4 0. 5。該固溶體存在準同型相界區(qū)。本發(fā)明的內(nèi)容之一就是尋找出該壓電陶瓷組合物的準同型相界區(qū)域的位置以及研究準同型相界區(qū)域的壓電陶瓷的相關(guān)電學(xué)性能。本發(fā)明所述的壓電組合物材料的制備方法，其制備方法包括如下具體步驟a)首先制備前驅(qū)體鈮鐵礦LuNbO4,制備方法=Lu2O3和Nb2O5按照計量比稱量，然后加入酒精球磨24小時，然后在1150°C煅燒I. 5小時，得到鈮鐵礦LuNb04。
b)按所需組分的化學(xué)計量比稱量LuNbO4, TiO2, ZrO2, PbO，其中PbO過量3%補償其揮發(fā)。然后在酒精和氧化鋯介質(zhì)中球磨24小吋。c)上述的料漿經(jīng)過干燥(120°C )，在800°C煅燒6小時，得到前驅(qū)體粉末。d)上述煅燒粉末在研缽中研磨I. 5小吋，加入5 %的PVA造粒，壓片，然后以I. 50C /min升溫到500°C，保溫2小時，排膠。e)排膠之后的片放在Al2O3坩堝中，加入PbTiO3氣氛料中，以6 10°C /min速率升溫到1170°C，保溫2. 5小時，得到所需的樣品材料。


圖I為實施例I制備的(l-x-y)PLuN-xPZ-yPT壓電陶瓷材料在室溫下的X射線粉末衍射圖.粉末衍射儀型號日本理學(xué)MiniFlex TI。圖2為實施例I制備的壓電陶瓷固溶體的透射電鏡照片。透射電鏡型號JSM6700。圖3為實施例I制備的(l-x-y)PLuN-xPZ-yPT壓電材料極化后的介電溫譜圖。介電分析儀型號德國Novolcontrol Alpha-A。圖4為實施例I制備的(l-x-y)PLuN-xPZ-yPT壓電材料在不同電場下的電滯回線。鐵電分析儀的型號aix-ACCT TF2000。圖S(I-Xi)Pb(LulZ2NblZ2)O3-XPbZrO3IPbTiO3 三元相圖及準同型相界。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進ー步詳細，完整的說明。實施例II.按照化學(xué)計量比稱量Lu2O3, Nb2O5，加入無水こ醇作為介質(zhì)，行星球磨12小時，120°C干燥，在1150°C煅燒I. 5小時，得到前驅(qū)體LuNb04。 2.按通式(I-Xi)Pb(LulZ2Nbv2)O3-XPbZrO3IPbTiO3,其中，X = 0. 40, y 分別取值為 0. 40，0. 44，0. 45，0. 46，0. 47，0. 48，0. 50。分別按照化學(xué)計量比稱取 LuNbO4, ZrO2, TiO20讓稱取超過化學(xué)計量比3%的PbO以補償其燒結(jié)過程中的揮發(fā)；加入無水こ醇作為介質(zhì)，行星球磨24個小時。3.出料干燥，將干燥后的混合物壓片裝入Al2O3坩堝中，在800°C合成6小時。4.粉碎合成料，用無水こ醇作為介質(zhì)，再次行星球磨12小時使其混合均勻。5.出料干燥，加入粘結(jié)劑PVA(5w%)，造粒，在20MP的壓カ下壓制成直徑IOmm的片，6小時升溫到500°C，保溫2小時，排塑。6.進行最后的燒結(jié)。燒結(jié)過程在氧氣氣氛中1170°C無壓燒結(jié)2. 5小時，然后隨爐溫冷卻到室溫。7.將燒結(jié)后獲得的PLuN-PZ-PT陶瓷材料用Mini-FlexII衍射儀進行物相分析，得到的XRD圖譜如圖I所示。由圖I可見所獲得陶瓷材料均為純鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。8.圖2為所制備的陶瓷材料的掃描電鏡的照片，由圖2可見，所制備的陶瓷均呈現(xiàn)致密的微結(jié)構(gòu)。并且隨著PLuN含量的增多，致密度和結(jié)晶性均有所提高。9.圖3為制備的陶瓷材料在IHz IMHz測試頻率下的介電溫譜圖。從介電譜上可以看出，隨著PLuN含量的増加，居里點有所降低，并且呈現(xiàn)出三方-四方相變的肩峰，另夕卜，介電峰值寬化，介電曲線出現(xiàn)頻率色散效應(yīng)。這是表明，隨著PLuN含量的増加，體系弛豫性能增強。介電特征表明該陶瓷是介于正常鐵電體和弛豫鐵電體之間的ー種鐵電材料。10.圖4為制備的本實施例的鐵電電滯回線。由圖4可見，所制備的陶瓷材料相比于PZT陶瓷材料，其在矯頑場Ec和剩余極化Pr方面均有所提高。適用于高功率的壓電器件上。實施例2I.按照化學(xué)計量比稱量Lu2O3, Nb2O5，加入無水こ醇作為介質(zhì)，行星球磨12小時，120°C干燥，在1150°C煅燒I. 5小時，得到前驅(qū)體LuNb04。2.按通式(I-Xi)Pb(LuljZ2Nbv2)O3-XPbZrO3IPbTiO3,其中，x = 0. 25, y 分別取值為 0. 41,0. 42，0. 43，0. 45，0. 46，0. 47，0. 48。分別按照化學(xué)計量比稱取 LuNbO4, ZrO2, TiO20讓稱取超過化學(xué)計量比3%的PbO以補償其燒結(jié)過程中的揮發(fā)；加入無水こ醇作為介質(zhì)，行星球磨24個小時。3.燒結(jié)溫度設(shè)定為1100°C保溫2. 5小時。3.其余同實施例I。實施例3I.按照化學(xué)計量比稱量Lu2O3, Nb2O5，加入無水こ醇作為介質(zhì)，行星球磨12小時，120°C干燥，在1150°C煅燒I. 5小時，得到前驅(qū)體LuNb04。2.按通式(I-Xi)Pb(LulZ2Nbv2)O3-XPbZrO3IPbTiO3,其中，x = 0. 10, y 分別取值為 0. 40，0. 43，0. 44，0. 45，0. 46，0. 47，0. 48，0. 50。分別按照化學(xué)計量比稱取 LuNbO4, ZrO2,Ti02。讓稱取超過化學(xué)計量比3%的PbO ;加入無水こ醇作為介質(zhì),行星球磨24個小時。3.燒結(jié)溫度設(shè)定為1020°C保溫2. 5小時。 3.其余同實施例I。有必要指出的是以上的實施例只用于對本發(fā)明進行進ー步說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.鈮镥酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料，其特征在于所述構(gòu)成的主成分化合物由(1-x-y) Pb (Lu1/2Nb1/2) 03-xPbZr03-yPbTi03 表不，式中，x = 0. I 0. 6, y = 0. 40 0. 50。
2.如權(quán)利要求I所述的壓電陶瓷材料，其特征在于其存在準同型相界區(qū)，準同型相區(qū)位于y = 0. 45 0. 47附近；當體系組分偏向Pb (Lu1/2Nb1/2)O3-XPbTiO3 一側(cè)時，準同型相界區(qū)域變寬。
3.—種權(quán)利要求I所述的壓電陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟 (1)首先制備前驅(qū)體鈮鐵礦LuNb04，按照計量比稱量Lu203和Nb205，加入酒精研磨，然后煅燒I. 5小時，得到鈮鐵礦LuNb04 ； (2)按所需制備的組分的化學(xué)計量比稱量LuNb04，Ti02,Zr02, PbO，其中PbO過量3%補償其在燒結(jié)過程中的揮發(fā)； (3)上述混合粉末研磨，料漿經(jīng)過干燥，煅燒之后，得到前驅(qū)體粉末； (4)煅燒之后的粉末再次研磨，造粒，壓片，排膠，燒結(jié)之后得到得到所需的壓電陶瓷材料。
4.權(quán)利要求I所述的壓電陶瓷材料用于機電換能器，激勵器，電容器，驅(qū)動器，微波通訊，微波介電，濾波器，超聲振蕩器，能量收集器和壓電蜂鳴器領(lǐng)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及鈮镥酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料。通過粉末衍射，掃描電鏡，介電，壓電和鐵電測量對其性能進行表征，確定了該三元體系的準同型相界區(qū)域。并得到了位于準同型相界區(qū)的最佳性能的組分43Pb(Lu1/2Nb1/2)O3-10PbZrO3-47PbTiO3。其壓電系數(shù)到d33＝367pC/N，Tc＝360℃，機電耦合性能kp＝68％，矯頑場Ec＝17kv/cm，剩余極化Pr＝34.45μC/cm2。不僅可以滿足高功率傳感器及高應(yīng)變驅(qū)動器等高技術(shù)應(yīng)用對壓電材料性能的要求，而且可以滿足高功率傳感器及高應(yīng)變驅(qū)動器等高技術(shù)應(yīng)用對壓電材料的使用溫度要求。
文檔編號C04B35/493GK102649643SQ20121012531
公開日2012年8月29日 申請日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者何超, 劉穎, 李修芝, 李濤, 沈東全, 王祖建, 龍西法 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所