钙锂镱共掺杂的PZT基压电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种钙、锂、镱共掺杂的PZT基压电陶瓷，该压电陶瓷的化学通式为xPb(Ni1/3Nb2/3)O3–yPb(Mg1/2W1/2)O3–(1–x–y)Pb(Zr0.5Ti0.5)O3+u wt％CaCO3+v wt％Li2CO3+wmol％Yb2O3，其中0.02≤x≤0.15，0.02≤y≤0.15，0.08≤u≤0.5，0.08≤v≤0.5，0≤w≤0.4。本发明专利技术还提供了上述钙、锂、镱共掺杂的PZT基压电陶瓷的制备方法。该压电陶瓷烧结温度低，并且兼具良好的压电性能和较高的居里温度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于压电陶瓷材料领域，具体涉及一种钙锂镱共掺杂的PZT基压电陶瓷及其制备方法。
技术介绍
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，对其掺杂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℃，而纯Ag的内电极则要求不高于900℃的烧结温度。传统含铅压电陶瓷在约1200℃高温下烧结，因此纯Ag(熔点≈961℃)内部电极不能在这么高的温度下使用，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。为了实现与纯银电极的900℃低温共烧，国内外对如何降低PZT基陶瓷的烧结温度进行了研究。研究表明，通过添加助熔剂可降低烧结温度。将ZnO、Na2CO3、CaCO3、Li2CO3、Bi2O3和CuO添加到压电陶瓷中可以实现900℃低温下的烧结。如Chan-hee Nam在American Ceramics(2011,94(10),3442–3448)中公开了向PNN–PZT中加入1.0mol％CuO作为助熔剂，获得了d33＝620pC/N，TC＝200℃的压电陶瓷。虽然陶瓷材料的压电性能较高，但是居里温度较低，在实际应用中较难满足较高的温度需求。Han,H.S在Trans.Electr.Electron.Mater.(2011,12(6),249–252)报道了以0.1wt％Li2CO3作为助熔剂加入到PMN–PFN–PZT体系中，得到d33＝425pC/N,TC＝351℃的压电陶瓷。其Tc较高，但是压电性能明显下降。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，本专利技术的第一个目的是提供一种钙、锂、镱共掺杂的PZT基压电陶瓷，该压电陶瓷烧结温度低，并且兼具良好的压电性能和较高的居里温度；本专利技术的第二个目的是提供上述钙、锂、镱共掺杂的PZT基压电陶瓷的制备方法，以降低PZT基压电陶瓷的烧结温度，同时提高压电性能和居里温度。针对本专利技术的第一个专利技术目的，本专利技术提供一种钙、锂、镱共掺杂的PZT基压电陶瓷，该压电陶瓷的化学通式为xPb(Ni1/3Nb2/3)O3-yPb(Mg1/2W1/2)O3-(1–x–y)Pb(Zr0.5Ti0.5)O3+u wt％CaCO3+v wt％Li2CO3+w mol％Yb2O3，其中0.02≤x≤0.15，0.02≤y≤0.15，0.08≤u≤0.5，0.08≤v≤0.5，0≤w≤0.4。u wt％、v wt％、表示对应组分占钙锂镱共掺杂的PZT基压电陶瓷的质量百分比；w mol％表示对应组分占钙锂镱共掺杂的PZT基压电陶瓷摩尔百分比。针对本专利技术的第二个专利技术目的，通过在PZT基压电陶瓷中掺入钙、锂、镱，使得在掺杂元素的作用下，Li+及Yb3+进入A或B位，在850～950℃的烧结温度下，制备得到兼具良好压电性能和较高的居里温度的PZT基压电陶瓷，具体工艺步骤如下：(1)PZT基陶瓷粉体的制备：将根据化学通式确定的各组分配方量的原料置入球磨机球磨破碎混合，混合均匀后在750～850℃下保温烧结2～4h，保温结束后冷却至室温并再次进行球磨破碎，得到PZT基陶瓷粉体；(2)造粒压片：向步骤(1)所得PZT基陶瓷粉体中加入聚乙烯醇溶液进行造粒，然后将造粒所得粒料压制成片，得到PZT基陶瓷片；(3)排胶烧结：将步骤(2)所得PZT基陶瓷片排胶后在850～950℃下保温烧结2～4h，得到烧结PZT基压电陶瓷片；(4)极化：将步骤(3)所得烧结PZT基压电陶瓷片表面涂覆银浆后，在650～750℃下保温烧结10～20min，保温结束后冷却至室温，然后在硅油中进行极化，得到钙锂镱共掺杂的PZT压电陶瓷。上述方法中，步骤(1)中两次球磨的优选为以无水乙醇为分散介质，各组分原料总量与无水乙醇的用量质量比优选为1:(1.2～2.0)。在行星球磨机上以100～450rmp的转速球磨10～24h，球磨后进行干燥。所述干燥可以是在烤灯下烘烤2～3小时。上述方法中，将所得粒料压制成片的具体工艺优选为：在10～20MPa的压力下压制成直径约为10～15mm，厚度约为0.8～1.2mm的钙、锂、镱共掺杂的PZT基压电陶瓷片。上述方法中，步骤(2)中所述聚乙烯醇溶液的质量浓度为最好为5～10％。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基陶瓷片在450～550℃下保温4～10h。上述方法中，步骤(4)中所述银浆的质量浓度为5～15％。上述方法中，步骤(4)中在硅油中进行极化的具体工艺为：在80～120℃的硅油中，极化场强为2～5kV/mm条件下保持电场强度15～30min。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提供的钙、锂、镱共掺杂PZT基压电陶瓷，烧结温度低，为850～950℃并具有良好的压电性能，d33高达565pC/N，在室温下利用安捷伦4294A精密阻抗仪在1kHz的频率下测得介电损耗不大于千分之三，且居里温度大于290℃。2、本专利技术提供的钙、锂、镱共掺杂PZT基压电陶瓷，其物相为纯钙钛矿相，如图1所示，掺钙、锂、镱共掺杂提高了烧结活性使晶粒致密均匀且生长充分，致密，如图2所示。附图说明图1为实施例1～4制备得到的压电陶瓷材料的X射线衍射(XRD)图谱。图2为为实施例2制备得到的压电陶瓷材料的扫描电镜(SEM)照片。图3为实施例1～4制备得到的压电陶瓷材料的压电性能图。图4为实施例1～4制备得到的压电陶瓷材料的介电常数随温度的变化。具体实施方式下面通过具体实施方式对本专利技术所述钙、锂、镱共掺杂的PZT基压电陶瓷作进一步说明。实施例1(1)PZT基陶瓷粉体的制备按照通式0.08Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.02Pb(Mg1/2W1/2)O3-0.90Pb(Zr0.5Ti0.5)O3+0.30wt％CaCO3+0.20wt％Li2CO3+0mol％Yb2O3表示，(x＝0.08,y＝0.02,u＝0.30,v＝0.20,w＝0)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100rmp的转速球磨24h，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℃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基陶瓷粉体；(2)造粒压片向步骤(1)所得PZT基陶瓷粉体中加入质量浓度为10wt％的聚乙烯醇溶液进行造粒，然后在10MPa的压力下压制成直径约为10mm，厚度约为1.2mm的PZT基压电陶瓷圆片；(3)排胶烧结将步骤(2)所得PZT基陶瓷片在550℃下保温4h进行排胶后，在850℃下保温烧结4h，得到烧结PZT基压电陶瓷片；(4)极化将步骤(3)所得烧结PZT基压电陶瓷圆片表面涂覆10wt％的银浆后，在650℃下保温烧结20min，保温结束后冷却至室温，然后在在90℃的硅油中，极化场强为5kV/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钙锂镱共掺杂的PZT基压电陶瓷，其特征在于该压电陶瓷的化学通式为xPb(Ni1/3Nb2/3)O3‑yPb(Mg1/2W1/2)O3‑(1–x–y)Pb(Zr0.5Ti0.5)O3+u wt％CaCO3+v wt％Li2CO3+w mol％Yb2O3，其中0.02≤x≤0.15，0.02≤y≤0.15，0.08≤u≤0.5，0.08≤v≤0.5，0≤w≤0.4；u wt％、v wt％表示对应组分占钙锂镱共掺杂的PZT基压电陶瓷的质量百分比；w mol％表示对应组分占钙锂镱共掺杂的PZT基压电陶瓷的摩尔百分比。

【技术特征摘要】
1.一种钙锂镱共掺杂的PZT基压电陶瓷，其特征在于该压电陶瓷的化学通式为xPb(Ni1/3Nb2/3)O3-yPb(Mg1/2W1/2)O3-(1–x–y)Pb(Zr0.5Ti0.5)O3+u wt％CaCO3+v wt％Li2CO3+w mol％Yb2O3，其中0.02≤x≤0.15，0.02≤y≤0.15，0.08≤u≤0.5，0.08≤v≤0.5，0≤w≤0.4；u wt％、v wt％表示对应组分占钙锂镱共掺杂的PZT基压电陶瓷的质量百分比；w mol％表示对应组分占钙锂镱共掺杂的PZT基压电陶瓷的摩尔百分比。2.权利要求1所述钙锂镱共掺杂的PZT基压电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：(1)PZT基陶瓷粉体的制备：将根据化学通式确定的各组分配方量的原料置入球磨机球磨破碎混合，混合均匀后在750～850℃下保温烧结2～4h，保温结束后冷却至室温并再次进行球磨破碎，得到PZT基陶瓷粉体；(2)造粒压片：向步骤(1)所得PZT基陶瓷粉体中加入聚乙烯醇溶液进行造粒，然后将造粒所得粒料压制成片，得到PZT基陶瓷片；(3)排胶烧结：将步骤(2)所得PZT基陶瓷片排胶后在850～950℃下保温烧结2～4h，得到烧结PZT基压电陶瓷片；(4)极化：将步骤(3)所得烧结PZT基压电陶瓷片表面涂覆银浆后，在650～750℃下保温烧结10～20min，保温结束后冷却至室温，然后在硅油中进行极化，得到钙锂镱共掺杂的PZT压电陶瓷。3.根据权利要求2所述钙锂镱共掺杂的P...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪，张倩，朱建国，余萍，徐威，陈强，肖定全，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51