專利名稱：高性能鑭摻雜pzn-pzt壓電陶瓷的制備方法
技術領域：
本發明是關于壓電陶瓷的制備方法，尤其涉及ー種具有改進燒銀エ藝的鑭摻雜鋅鈮酸鉛-鋯鈦酸鉛(PZN-PZT)壓電陶瓷的制備方法。
背景技術：
壓電陶瓷是ー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弾性性能，且制備エ藝簡單、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エ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年代開始研制的ー種新型壓電器件，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。在科學和エ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。PZN-PZT三元壓電陶瓷材料以其高的致密度，優良的絕緣性能，及優異的壓電性，而被廣泛研究和應用。人們主要是從配方和エ藝兩個方面，去調節PZN-PZT的壓電等綜合性能。配方主要是通過“軟性”或“硬性”摻雜，從而使材料獲得較高的壓電性能或獲得高的機械品質因數及小的介電損耗。本發明g在獲得高的壓電性能，所以選擇鑭摻雜(“軟性”摻雜)的配方。エ藝是從球磨、合成、成型、燒結、極化等方面去改善材料的性能。但是，陶瓷表面的金屬化，即燒銀エ藝也是重要的エ藝之一。燒銀的目的是在高溫作用下瓷件表面上形成連續、致密、附著牢固、導電性良好的銀層。同時，燒銀處理的好壞也直接影響后序的極化工藝，進而影響陶瓷的壓電性能。目前，對于壓電陶瓷的燒銀エ藝和燒銀エ藝對性能的影響的研究較少。事實上，不同的燒銀エ藝對壓電陶瓷的性能具有明顯的影響，適合的燒銀エ藝可以得到較好的性能。因此燒銀エ藝也是壓電陶瓷制備エ藝中的重點。
發明內容
本發明的目的是在現有技術的基礎上，提供ー種獲得更高壓電性能的鑭摻雜PZN-PZT壓電陶瓷的制備方法。本發明通過以下技術方案予以實現
(I)配料將原料Pb304、ZnO> Nb205、Zr02、Ti02、La2O3 按 0. 25Pb (Zn1/3Nb2/3)03-0. TSPlvxLax(ZrzTih)O3，式中 x = 0· 03 0· 07，ζ = O. 49 O. 57 的化學計量比配料，于球磨罐中混料，球料水的重量比為2:1:0. 5，球磨時間為3h，再將原料烘干；⑵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5wt% 7wt%的聚こ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1270°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500 900°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80°C的硅油中，施加3. 3KV/mm的直流電場，極化15min,再將施加電場狀態的制品放入處于室溫的娃油中急冷,然后去除電場；(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(3)的聚こ烯醇水溶液的聚こ烯醇含量為7wt%。所述步驟(3)的還體為直徑12mm,厚度I. 2mm I. 4mm的圓片狀還體。所述步驟(5)優選的的燒銀エ藝為燒銀溫度850°C，保溫時間為lOmin。本發明的有益效果是，通過改進PZN-PLZT壓電陶瓷的燒銀エ藝，顯著提高了其壓電性能，d33 = 550 600pC/N，Kp = O. 59 O. 64。該配方壓電陶瓷的一般性能為d33 ^ 570pC/N, Kp O. 60。
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Pb304、ZnO、Nb2O5, ZrO2, TiO2和
LBoUo O具體步驟如下(I)配料將原料Pb304、ZnO> Nb205、Zr02、Ti02、La2O3 按 0. 25Pb (Zn1/3Nb2/3)O3-O. TSPlvxLax(ZrzTih)O3，式中 x = 0· 03 0· 07，ζ = O. 49 O. 57 的化學計量比配料，于球磨中混料，球料水的重量比為2 I 0. 5，球磨時間為3h，再將原料烘干；⑵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5wt% 7wt%的聚こ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1270°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，在不同的燒銀エ藝下進行燒銀。燒銀保溫時間為lOmin，燒銀溫度為 500°C、600°C、650°C、700°C、800°C、850°C、900°C，分別記為實施例1-1、1-2、1-3、1-4、ト5、ト6、ト7。(6)極化將步驟(5)的燒銀制品，置于80°C的硅油中，施加3. 3KV/mm的直流電場，極化15min，再將施加電場狀態的制品放入室溫的硅油中急冷，然后去除電場；(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。具體測試結果詳見表I表I
權利要求
1.ー種高性能鑭摻雜PZN-PZT壓電陶瓷的制備方法，具有如下步驟 (1)配料將原料 Pb3O4'ZnO、Nb2O5'ZrO2、TiO2'La2O3 按 O. 25Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-O. 75PVxLax (ZrzTi1JO3,式中X = O. 03 O. 07, z = O. 49 O. 57的化學計量比配料,于球磨機中混料，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5wt% 7wt%的聚こ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1270°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500 900°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80°C的硅油中，施加3. 3KV/mm的直流電場，極化15min，再將施加電場狀態的制品放入室溫的硅油中急冷，然后去除電場； (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。
2.根據權利要求I的高性能鑭摻雜PZN-PZT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。
3.根據權利要求I的高性能鑭摻雜PZN-PZT壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)的聚こ烯醇水溶液的聚こ烯醇含量為7wt%。
4.根據權利要求I的高性能鑭摻雜PZN-PZT壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)的還體為直徑12mm,厚度I. 2mm I. 4mm的圓片狀還體。
5.根據權利要求I的高性能鑭摻雜PZN-PZT壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(5)優選的的燒銀エ藝為燒銀溫度850°C，保溫時間為lOmin。
全文摘要
本發明公開了一種高性能鑭摻雜PZN-PZT壓電陶瓷的制備方法，步驟為(1)按0.25Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.75Pb1-xLax(ZrzTi1-z)O3，式中x＝0.03～0.07，z＝0.49～0.57的化學計量比配料；(2)合成；(3)成型及排塑；(4)燒結；(5)燒銀溫度為500～900℃，保溫時間為10min；(6)極化。本發明通過燒銀工藝的調整，顯著提高了壓電性能。最佳壓電性能為500℃燒銀，保溫10min，d33＝671pC/N，Kp＝0.627，ε33T/εo＝4712，tgδ＝3.23％；最佳綜合壓電性能為850℃燒銀，保溫10min，d33＝622pC/N，Kp＝0.626，ε33T/εo＝4535，tgδ＝1.83％。本發明可應用于壓電陶瓷驅動器、發射型換能器等對壓電性能有較高要求的器件。
文檔編號C04B35/622GK102643091SQ20121001418
公開日2012年8月22日 申請日期2012年1月17日 優先權日2012年1月17日
發明者孫清池, 王麗婧, 王耐清, 馬衛兵 申請人:天津大學