掺杂改性的铌镍酸铅‑锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术所述铌镍酸铅‑锆钛酸铅压电陶瓷，表示其化学组成组分及组分含量的化学式如下：Pb1‑mSrm(Ni1/3Nb2/3)n(Zr0.52Ti0.48)1‑nO3+xwt％Sb2O3+y％PbO+z％NiO，式中0.08≤m≤0.12，0.1≤n≤0.4，0.5≤x≤1，0≤y≤4，0≤z≤5，各参数进一步优选为m＝0.1，0.2≤n≤0.24，x＝0.75，y＝3，0≤z≤4。本发明专利技术还提供了上述铌镍酸铅‑锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法。所述掺杂改性的铌镍酸铅‑锆钛酸铅压电陶瓷其电学性能显著提高，可满足大功率压电器件的应用需求。

Doped lead nickel niobate of lead zirconate titanate piezoelectric ceramics and preparation method thereof

The lead nickel niobate lead zirconate titanate piezoelectric ceramics, chemical formula showing the chemical composition of components and the contents are as follows: Pb1 mSrm (Ni1/3Nb2/3) n (Zr0.52Ti0.48) 1 nO3+xwt%Sb2O3+y%PbO+z%NiO, type 0.08 = M = 0.12, 0.1 = n = 0.4, x = 0.5 ~ 1, 0 = y = 4, z = 0 ~ 5, the parameters of further optimization for M = 0.1, 0.2 = n = 0.24, x = 0.75, y = 3, z = 0 ~ 4. The invention also provides a method for preparing the lead nickel niobate lead zirconate titanate piezoelectric ceramics. The doping lead nickel niobate lead zirconate titanate piezoelectric ceramics of the electrical performance is improved significantly, which can meet the application requirements of high power piezoelectric devices.

【技术实现步骤摘要】
掺杂改性的铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法
本专利技术属于压电陶瓷领域，特别是涉及一种掺杂改性的高性能铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法。
技术介绍
功率型的压电器件是一种压电换能器，它的工作原理是利用陶瓷材料特有的正、逆压电效应，通过机电能量二次转换，依靠器件内部阻抗的变化而实现在谐振频率上应用。这就要求压电器件材料具有高的压电系数d33、高的介电常数εr、大的机电耦合系数kp以及低的介电损耗tanδ。PZT(PbZrO3-PbTiO3，锆钛酸铅)基压电材料由于具有高d33和kp而得到广泛的应用。目前，普遍用于提高PZT基压电陶瓷电学性能的方法主要有三种：1)在PZT基的基础上进行多元复合，常见的复合组元有铌镁酸铅(PMN)、铌锌酸铅(PZN)和铌镍酸铅(PNN)等；2)在PZT系中进行A位和B位离子的掺杂改性，常用的掺杂改性方法有同价取代、硬性掺杂和软性掺杂；3)探索新的制备工艺。对于第一种方法中，在PZT基础上进行多元复合的PNN-PZT(铌镍酸铅-锆钛酸铅)压电陶瓷以其较高的压电系数、相对较高的机电耦合系数、高的介电常数，以及低的机械品质因数而得到广泛的关注和应用。但若不进行掺杂改性，PNN-PZT压电陶瓷的电学性能相对较低，不能满足大功率压电器件的应用需求。掺杂改性由于能显著提升压电器件的电学性能，已成为压电陶瓷与器件方向的研究热点。目前对PNN-PZT压电陶瓷进行了Sm2O3、ZnO、MnO2、Fe2O3、Y2O3、ZnO/Li2O共掺、CuO/Fe2O3共掺等各种掺杂改性研究，但掺杂后所获得产品的压电、介电性能仍相对偏低，压电系数d33≤800pC/N；室温相对介电常数εr≤6000，尚不能满足大功率压电器件的实际应用需求。
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，提供一种掺杂改性的铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法，以进一步提高PNN-PZT系压电陶瓷的电学性能，从而满足大功率压电器件的应用需求。本专利技术的构思如下：通过选用Sr对A位离子的掺杂和选用Sb对B位离子的掺杂，即以A、B位离子共掺杂，进一步通过Pb和/或Ni过量条件下的制备方法来获得电学性能优良的PNN-PZT系压电陶瓷，以得到具有高压电系数、高介电常数、以及较高机电耦合系数的掺杂改性的高性能PNN-PZT压电陶瓷。为实现上述目的，本专利技术通过以下的技术方案来实现：本专利技术所述铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷，表示其化学组成组分及组分含量的化学式如下：Pb1-mSrm(Ni1/3Nb2/3)n(Zr0.52Ti0.48)1-nO3+xwt％Sb2O3+y％PbO+z％NiO，式中0.08≤m≤0.12，0.1≤n≤0.4，0.5≤x≤1，0≤y≤4，0≤z≤5。上述铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷，表示其化学组成组分及组分含量的化学式优选如下：Pb1-mSrm(Ni1/3Nb2/3)n(Zr0.52Ti0.48)1-nO3+xwt％Sb2O3+y％PbO+z％NiO，式中m＝0.1，0.2≤n≤0.24，x＝0.75，y＝3，0≤z≤4。此时，化学式为Pb0.90Sr0.10(Ni1/3Nb2/3)n(Zr0.52Ti0.48)1-nO3+0.75wt％Sb2O3+3％PbO+z％NiO。上述铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于表示其化学组成组分及组分含量的化学式进一步优选如下：Pb1-mSrm(Ni1/3Nb2/3)n(Zr0.52Ti0.48)1-nO3+xwt％Sb2O3+y％PbO+z％NiO，式中m＝0.1，n＝0.2，x＝0.75，y＝3，z＝3或m＝0.1，n＝0.22，x＝0.75，y＝3，z＝0。此时，化学式为Pb0.90Sr0.10(Ni1/3Nb2/3)0.2(Zr0.52Ti0.48)0.8O3+0.75wt％Sb2O3+3％PbO+3％NiO或Pb0.90Sr0.10(Ni1/3Nb2/3)0.22(Zr0.52Ti0.48)0.78O3+0.75wt％Sb2O3+3％PbO。m＝0.1，n＝0.2，x＝0.75，y＝3，z＝3时，d33＝1200，εr＝8500；m＝0.1，n＝0.22，x＝0.75，y＝3，z＝0时，d33＝1030，εr＝10060。这两种配方下的压电陶瓷的综合电学性能品质因子Q＝d33×εr相当，达到最佳。本专利技术提供的上述掺杂改性的铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，采用传统固相法制备工艺，包括按照化学配料、球磨混合、预烧、二次球磨、成型、排胶、烧结、被银和极化工序。上述掺杂改性的铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，具体工艺步骤如下：(1)配料：以氧化铅(PbO)、碳酸锶(SrCO3)、氧化镍(NiO)、五氧化二铌(Nb2O5)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化锑(Sb2O3)为原料，按照以下化学式称量各原料Pb1-mSrm(Ni1/3Nb2/3)n(Zr0.522Ti0.478)1-nO3+xwt％Sb2O3+y％PbO+z％NiO，式中0.08≤m≤0.12，0.1≤n≤0.4，0≤x≤1，0≤y≤4，0≤z≤5；(2)一次球磨：将配好的各原料混合湿磨至充分混合均匀，干燥后得到一次球磨粉料；(3)预烧：将所述一次球磨粉料于600～800℃煅烧2～3小时得到预烧粉料；(4)二次球磨：将预烧粉料混合湿磨至充分混合均匀，干燥后得到二次球磨粉料；(5)成型：将二次球磨粉料加聚乙烯醇造粒后再压制成型得到胚料；(6)排胶：将所得坯料于500～600℃保温3～5小时；(7)烧结：将排胶后的胚料用预留的二次球磨后的粉料做埋料即用二次球磨后的粉料覆盖胚料，于1200～1300℃烧结2～3小时，烧结结束后随炉自然冷却到室温得瓷胚；(8)被银和极化：将所得瓷胚被银电极后在25～30℃硅油中极化处理5～10分钟，极化电压1.5～2kV/mm。上述方法中，成型步骤中聚乙烯醇的添加量为二次球磨粉料的5wt％～10wt％。上述方法中，一次球磨和二次球磨是以无水乙醇为湿磨介质，球磨时间4～8小时。上述方法中，成型步骤中压制成型的压力为10～20MPa。上述方法中，排胶和烧结步骤中升温速率为3～6℃/min。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益技术效果：1.本专利技术所述掺杂改性的高性能铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷以铌镍酸铅-锆钛酸铅为基础，通过A位Sr和B位Sb共同掺杂改性结合Pb和Ni适度过量添加，得到综合电学性能优良的PNN-PZT系压电陶瓷，其具有优异的压电性能及介电性能，其中压电系数d33，相对介电常数εr和机电耦合系数kp分别高达1200pC/N、10060和0.67，使其能满足大功率压电器件的应用需求。2.本专利技术所述掺杂改性的高性能铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷制备方法稳定成熟，原料获取容易，具有普遍性和工业实用性。附图说明图1为实施例所制备的铌镍酸铅-锆钛酸铅的X射线衍射图谱，其中，样品1为实施例3所制备，样品2为实施例5所制备；图2为实施例3制备的铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷的扫描电镜图片(SEM)；图3为实施例5制备的铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷的扫描电镜图片(SEM)；图4为实施例1～3制备的铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷的d33、εr和Q(Q＝d33×εr)的变化图谱本文档来自技高网...

【技术保护点】
掺杂改性的铌镍酸铅‑锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于表示其化学组成组分及组分含量的化学式如下：Pb1‑mSrm(Ni1/3Nb2/3)n(Zr0.52Ti0.48)1‑nO3+xwt％Sb2O3+y％PbO+z％NiO，式中0.08≤m≤0.12，0.1≤n≤0.4，0.5≤x≤1，0≤y≤4，0≤z≤5。

【技术特征摘要】
1.掺杂改性的铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于表示其化学组成组分及组分含量的化学式如下：Pb1-mSrm(Ni1/3Nb2/3)n(Zr0.52Ti0.48)1-nO3+xwt％Sb2O3+y％PbO+z％NiO，式中0.08≤m≤0.12，0.1≤n≤0.4，0.5≤x≤1，0≤y≤4，0≤z≤5。2.根据权利要求1所述掺杂改性的铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于表示其化学组成组分及组分含量的化学式如下：Pb1-mSrm(Ni1/3Nb2/3)n(Zr0.52Ti0.48)1-nO3+xwt％Sb2O3+y％PbO+z％NiO，式中m＝0.1，0.2≤n≤0.24，x＝0.75，y＝3，0≤z≤4。3.根据权利要求2所述掺杂改性的铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于表示其化学组成组分及组分含量的化学式如下：Pb1-mSrm(Ni1/3Nb2/3)n(Zr0.52Ti0.48)1-nO3+xwt％Sb2O3+y％PbO+z％NiO，式中m＝0.1，n＝0.2，x＝0.75，y＝3，z＝3；或m＝0.1，n＝0.22，x＝0.75，y＝3，z＝0。4.权利要求1所述掺杂改性的铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于工艺步骤如下：(1)配料：以氧化铅、碳酸锶、氧化镍、五氧化二铌、二氧化钛、氧化锆、氧化锑为原料，按照以下化学式称量各原料Pb1-mSrm(Ni1/3Nb2/3)n(Zr0.52Ti0.48)1-nO3+xwt％...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱小红，王开树，张玉，梁大云，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51