一种低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷制造技术

一种低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷，涉及一种三元系钛酸铅基弛豫铁电织构材料及其制备方法和应用。解决三元系钛酸铅基弛豫铁电普通陶瓷电学性能低，而高质量铅基织构陶瓷难以制备且烧结温度高的问题。三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷的化学通式为xPb(A,Nb)O

A Ternary Lead Titanate-based Relaxation Ferroelectric Oriented Ceramics with Low Temperature Texture and High Electrical Properties and Its Preparation Method and Application

The invention relates to a ternary lead titanate-based relaxor ferroelectric oriented ceramics with low temperature texture and high electrical properties, a preparation method and application thereof, and relates to a ternary lead titanate-based relaxor ferroelectric texture material and its preparation method and application. Solve the problem that the electrical properties of ternary lead titanate-based relaxor ferroelectric ceramics are low, while high quality lead-based textured ceramics are difficult to prepare and sinter at high temperature. The general chemical formula of ternary lead titanate-based relaxor ferroelectric oriented ceramics is xPb (A, Nb) O 3 (1 x y z) Pb (Mg1/3Nb2/3) O 3 yPbZrO 3 Z Pb Ti 3 avol.% MTiO 3. METHODS: Fine-grained matrix powders were prepared, micro-crystalline patches containing growth AIDS and orientation along [001] C were prepared, ceramic green bodies were prepared, and ternary lead titanate-based relaxor ferroelectric oriented ceramics were prepared. Application: It is used to fabricate multilayer piezoelectric devices in high power, wide temperature and high electric field.

【技术实现步骤摘要】
一种低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种三元系钛酸铅基弛豫铁电织构材料及其制备方法和应用。
技术介绍
弛豫基铁电材料因其独特的力、热、电、光、声和化学等方面的特殊性能，在工业、民用和国防军事等领域有着非常普遍的应用。与二元铅系相比，新型三元系钛酸铅基弛豫铁电材料具有显著提高的相变温度和矫顽场，已成为新一代大功率机电器件和高电场/宽温区压电器件的首选体系。然而，目前所制备的三元系钛酸铅基弛豫铁电陶瓷中晶粒随机分布成任意取向，致使各向异性的电学性能部分抵消，其整体电学低，例如准静态压电常数d33约为400pC/N～600pC/N，严重制约了该材料的发展和应用。若能促进晶粒沿单晶优势方向[001]c定向生长，形成高度取向的织构陶瓷，可望大幅度提高钛酸铅基弛豫铁电体系的电学性能。目前研究新型三元系弛豫铁电陶瓷的织构化控制已成为获得高性能弛豫陶瓷材料的一个新且最有效的途径。然而，由于其独特的反应和扩散特性，第三元的引入使得晶粒的定向生长机制发生了大的变化，难以制备出高取向度的三元系铅基弛豫铁电织构陶瓷，其[001]c取向度通常低于90％。此外，目前已报道的三元系铅基织构陶瓷需要高的烧结温度，通常高于1200℃。一方面，由于PbO的熔点低，在高温下挥发严重，污染环境且导致织构陶瓷组分偏析、电学性能下降。另一方面，对于应电子元件微型化和集成化要求而出现的多层陶瓷结构来说，高的烧结温度意味着其内电极需要使用耐高温的昂贵Pd或者Pt，这无疑会增加生产成本，限制三元系织构陶瓷生产和使用范围的扩大。因此，探索新型三元系弛豫钛酸铅基铁电陶瓷的高质量织构和低温烧结，既可望在兼顾其高相变温度的同时大幅度提高陶瓷的电学性能，又可以减少环境污染，降低生产成本，使得该类新型铁电陶瓷具有极大的实用化及产业化价值。
技术实现思路
本专利技术是要解决目前三元系钛酸铅基弛豫铁电普通陶瓷整体电学性能低，而高质量铅基织构陶瓷难以制备，并且烧结温度高致使PbO挥发严重、材料组分偏析、电学性能下降且生长成本增高的问题，而提供一种低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷及其制备方法和应用。本专利技术低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷的化学通式为xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3-avol.％MTiO3，其中A为Ni或Yb，MTiO3为CaTiO3、SrTiO3、BaTiO3和PbTiO3中的一种或其中两种的混合物，0<x≤0.40，0≤y≤0.40，0.15≤z≤0.40，且1-x-y-z大于0，1≤a≤20；所述的低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷是以纯钙钛矿相的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3细晶基体粉体为原料，加入生长助剂，以沿[001]c定向的MTiO3片状微晶为模板制成；且低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷由沿[001]c择优取向的定向晶粒组成；所述的沿[001]c择优取向的定向晶粒粒径小于50μm；所述的低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷沿[001]c择优取向度为90％以上，烧结温度低于1025℃，居里温度高于200℃，压电常数高于2000pm/V。一种低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷的制备方法是按以下步骤完成的：一、采用两步合成法制备纯钙钛矿相的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3细晶基体粉体：①、采用固相反应法合成纯相且细晶的NiNb2O6前驱体粉体或纯相且细晶的YbNbO4前驱体粉体；②、采用固相反应法合成纯相且细晶的MgNb2O6前驱体粉体；③、以纯相且细晶的NiNb2O6前驱体粉体和纯相且细晶的MgNb2O6前驱体粉体为原料，或者以纯相且细晶的YbNbO4前驱体粉体和纯相且细晶的MgNb2O6前驱体粉体为原料，采用固相反应法合成纯钙钛矿相的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3细晶基体粉体，其中A为Ni或Yb，0<x≤0.40，0≤y≤0.40，0.15≤z≤0.40，且1-x-y-z大于0；所述的纯钙钛矿相的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3细晶基体粉体粒径小于0.5μm；二、采用流延工艺制备同时含生长助剂和沿[001]c定向的MTiO3片状微晶的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3-avol.％MTiO3膜片：按化学通式为xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3-avol.％MTiO3的化学计量比称取纯钙钛矿相的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3细晶基体粉体和沿[001]c定向的MTiO3片状微晶，将纯钙钛矿相的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3细晶基体粉体和生长助剂，按水剂体系法或有机体系法制备母体浆料，将沿[001]c定向的MTiO3片状微晶通过超声分散加入母体浆料中，球磨10min～90min，然后去除气泡，得到流延浆料，在流延刀口高度为10μm～400μm的条件下，利用流延机对流延浆料进行流延，随后干燥，得到同时含生长助剂和沿[001]c定向的MTiO3片状微晶的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3-avol.％MTiO3膜片，其中A为Ni或Yb，MTiO3为CaTiO3、SrTiO3、BaTiO3和PbTiO3中的一种或其中两种的混合物，0<x≤0.40，0≤y≤0.40，0.15≤z≤0.40，且1-x-y-z大于0，1≤a≤20；所述的生长助剂为Pb源生长助剂、SiO2、CuO、Li2CO3、Sm2O3、ZnO和MnO2中的一种或其中几种的混合物；所述的Pb源生长助剂为PbO或Pb3O4；所述的沿[001]c定向的MTiO3片状微晶厚度≤4μm，径厚比≥8；所述的生长助剂与纯钙钛矿相的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3细晶基体粉体的质量比为(0.001～0.06):1；三、采用叠压、热水匀压、排胶和冷等静压工艺制备xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3-avol.％MTiO3陶瓷素坯：将同时含生长助剂和沿[001]c定向的MTiO3片状微晶的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3-avol.％MTiO3膜片切割并叠层，然后在温度为60℃～95℃和压力为10MPa～50MPa本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷，其特征在于低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷的化学通式为xPb(A,Nb)O3‑(1‑x‑y‑z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbZrO3‑zPbTiO3‑avol.％MTiO3，其中A为Ni或Yb，MTiO3为CaTiO3、SrTiO3、BaTiO3和PbTiO3中的一种或其中两种的混合物，0<x≤0.40，0≤y≤0.40，0.15≤z≤0.40，且1‑x‑y‑z大于0，1≤a≤20；所述的低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷是以纯钙钛矿相的xPb(A,Nb)O3‑(1‑x‑y‑z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPbZrO3‑zPbTiO3细晶基体粉体为原料，加入生长助剂，以沿[001]c定向的MTiO3片状微晶为模板制成；且低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷由沿[001]c择优取向的定向晶粒组成；所述的沿[001]c择优取向的定向晶粒粒径小于50μm；所述的低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷沿[001]c择优取向度为90％以上，烧结温度低于1025℃，居里温度高于200℃，压电常数高于2000pm/V。...

【技术特征摘要】
1.一种低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷，其特征在于低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷的化学通式为xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3-avol.％MTiO3，其中A为Ni或Yb，MTiO3为CaTiO3、SrTiO3、BaTiO3和PbTiO3中的一种或其中两种的混合物，0<x≤0.40，0≤y≤0.40，0.15≤z≤0.40，且1-x-y-z大于0，1≤a≤20；所述的低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷是以纯钙钛矿相的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3细晶基体粉体为原料，加入生长助剂，以沿[001]c定向的MTiO3片状微晶为模板制成；且低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷由沿[001]c择优取向的定向晶粒组成；所述的沿[001]c择优取向的定向晶粒粒径小于50μm；所述的低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷沿[001]c择优取向度为90％以上，烧结温度低于1025℃，居里温度高于200℃，压电常数高于2000pm/V。2.如权利要求1所述的一种低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷的制备方法，其特征在于一种低温织构高电学性能三元系钛酸铅基弛豫铁电取向陶瓷的制备方法是按以下步骤完成的：一、采用两步合成法制备纯钙钛矿相的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3细晶基体粉体：①、采用固相反应法合成纯相且细晶的NiNb2O6前驱体粉体或纯相且细晶的YbNbO4前驱体粉体；②、采用固相反应法合成纯相且细晶的MgNb2O6前驱体粉体；③、以纯相且细晶的NiNb2O6前驱体粉体和纯相且细晶的MgNb2O6前驱体粉体为原料，或者以纯相且细晶的YbNbO4前驱体粉体和纯相且细晶的MgNb2O6前驱体粉体为原料，采用固相反应法合成纯钙钛矿相的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3细晶基体粉体，其中A为Ni或Yb，0<x≤0.40，0≤y≤0.40，0.15≤z≤0.40，且1-x-y-z大于0；所述的纯钙钛矿相的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3细晶基体粉体粒径小于0.5μm；二、采用流延工艺制备同时含生长助剂和沿[001]c定向的MTiO3片状微晶的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3-avol.％MTiO3膜片：按化学通式为xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3-avol.％MTiO3的化学计量比称取纯钙钛矿相的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3细晶基体粉体和沿[001]c定向的MTiO3片状微晶，将纯钙钛矿相的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3细晶基体粉体和生长助剂，按水剂体系法或有机体系法制备母体浆料，将沿[001]c定向的MTiO3片状微晶通过超声分散加入母体浆料中，球磨10min～90min，然后去除气泡，得到流延浆料，在流延刀口高度为10μm～400μm的条件下，利用流延机对流延浆料进行流延，随后干燥，得到同时含生长助剂和沿[001]c定向的MTiO3片状微晶的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3-avol.％MTiO3膜片，其中A为Ni或Yb，MTiO3为CaTiO3、SrTiO3、BaTiO3和PbTiO3中的一种或其中两种的混合物，0<x≤0.40，0≤y≤0.40，0.15≤z≤0.40，且1-x-y-z大于0，1≤a≤20；所述的生长助剂为Pb源生长助剂、SiO2、CuO、Li2CO3、Sm2O3、ZnO和MnO2中的一种或其中几种的混合物；所述的Pb源生长助剂为PbO或Pb3O4；所述的沿[001]c定向的MTiO3片状微晶厚度≤4μm，径厚比≥8；所述的生长助剂与纯钙钛矿相的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3细晶基体粉体的质量比为(0.001～0.06):1；三、采用叠压、热水匀压、排胶和冷等静压工艺制备xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3-avol.％MTiO3陶瓷素坯：将同时含生长助剂和沿[001]c定向的MTiO3片状微晶的xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3-avol.％MTiO3膜片切割并叠层，然后在温度为60℃～95℃和压力为10MPa～50MPa的条件下进行叠压，将叠压后的块状样品置于温度为60℃～95℃的水中，在压力为10MPa～50MPa的条件下进行热水匀压，随后将热水匀压后的样品置于温度为500℃～650℃的条件下进行排胶，最后在压力为150MPa～300MPa的条件下进行冷等静压，得到xPb(A,Nb)O3-(1-x-y-z)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3-avol.％MTiO3陶瓷...

【专利技术属性】
技术研发人员：常云飞，杨彬，吴丰民，吴杰，曹文武，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23