一种压电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高居里温度的压电陶瓷，该压电陶瓷通式为(1-x)(0.35BiYbO3-0.65PbTiO3)-xPb(Zn1/3Nb2/3)O3，其中x=0.15～0.85。本发明专利技术还提供了一种制备该压电陶瓷的方法，利用本发明专利技术方法制备的压电陶瓷具有高居里温度（395～432）、较高压电常数（60～94）、较低的介电损耗低（0.006～0.010）及适中的机械品质因数（136.86～149.29）等特点，克服了现有压电材料居里温度和综合压电性能无法同时满足特定指标要求的缺陷。已有性能较好的复合钪酸铋钛酸铅钙钛矿高温压电陶瓷材料需使用价格昂贵的元素钪，而该新体系与其相比具有低得多的价格，是一种很有应用前景的高温压电材料。

【技术实现步骤摘要】
一种压电陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及电子陶瓷和压电器件领域，具体涉及一种具有高居里温度的压电陶瓷及其制备方法。
技术介绍
现代工业的发展对各类声学换能器及振动传感器等的高温环境作业提出了更高的要求。例如，在油井下使用的声波测井换能器、航天器上使用的压电驱动器及传感器、燃料注射喷嘴驱动器以及其他极端环境下使用的各类传感器等，都需要使用居里温度在400℃以上甚至更高的压电陶瓷。目前最常用的压电陶瓷锆钛酸铅（PZT）的居里温度一般在320℃-360℃的范围。因为材料随温度升高的逐渐退极化而导致的压电性能退化问题，其工作温度上限一般是在居里温度的1/2处。因此，研究制备具有高居里温度的压电陶瓷具有重要意义。一般而言，压电材料的居里温度越高，其压电性能会更差。公开号为CN1295046的中国专利公开了一种铋层状压电陶瓷，其居里温度为865℃，但其压电常数很低（≤20pC/N），压电性能差。近年来，具有钙钛矿结构的(1-x)BiScO3-xPbTiO3(BSPT)陶瓷，以其良好的压电性能和较的居里温度（在准同型相界，即x=0.64附近，d33=460pC/N,Tc=450℃）而受到广泛关注。但原材料Sc2O3价格昂贵，大大限制了其实用性。公开号为CN102623628的中国专利公开了一种铌镱酸铅-钛酸铅（Pb(Yb1/2Nb1/2)O3-PbTiO3）压电陶瓷,具有较高的压电常数（450～460pC/N）,但居里温度（380～400℃）及机械品质因数（56～71）较低。JongBongLim等人2012年在《国际陶瓷》（CeramicsInternational，vol38，pp277-282）上公开了一种组成为33Pb(Yb1/2Nb1/2)O3(67-x)PbZrO3xPbTiO3的高居里温度压电陶瓷，其中44≤x≤50，压电常数为420～510pC/N，但其居里温度更低，约为355～385℃，且介电损耗较高（0.015～0.024）。
技术实现思路
本专利技术针对现有压电陶瓷材料居里温度和综合压电性能无法同时满足特定指标要求，或价格昂贵等问题，提供一种具有高居里温度，且压电系数较高，机械品质因数适中，介电损耗低的新型高温压电陶瓷材料。本专利技术的高居里温度压电陶瓷的组成通式为(1-x)(0.35BiYbO3-0.65PbTiO3)-xPb(Zn1/3Nb2/3)O3压电陶瓷，其中x=0.15～0.85。所述高居里温度压电陶瓷的制备方法包括以下步骤：（1）以ZnO和Nb2O5为原料配料，加入去离子水或无水乙醇介质混合球磨，烘干过筛后在1200-1250℃烧结1-3小时制得ZnNb2O6前驱体；（2）将ZnNb2O6前驱体同Bi2O3，Yb2O3，PbO，TiO2，ZnO和Nb2O5按(1-x)(0.35BiYbO3-0.65PbTiO3)-xPb(Zn1/3Nb2/3)O3摩尔配比称量，其中x=0.15～0.60，并加入去离子水或无水乙醇介质混合球磨；（3）将球磨后的料烘干过筛后，在700℃-850℃预烧，将预烧后块体再进行充分球磨；（4）将球磨后的料烘干，加入适量PVA或其他粘接剂进行造粒，过筛后压制成所需形状的陶瓷坯体；（5）将陶瓷坯体于1000~1150℃下在密封坩埚中保温1.5~3小时烧结，制得所需压电陶瓷。本专利技术中，步骤（1），步骤（2）及步骤（3）所用球磨方式为行星式球磨，也可以采用其他混合磨料方式，如机械振动磨；磨球为玛瑙球，也可用钢球等常用磨球；球磨罐为尼龙罐，也可用玛瑙罐等常用球磨罐；料：球：球磨介质比例范围约为1：1.2：2~1：1.8：3.5。本专利技术中，步骤（1），步骤（3）及步骤（4）烘干温度为室温或20~85℃，烘干温度越高，烘干过程越快。本专利技术中，步骤（4）所用粘接剂为PVA，为4~9wt.%含量的PVA溶液。本专利技术中，步骤（1）、步骤（5）所述烧结采用普通坩埚密封烧结；步骤（3）中的预烧采用普通坩埚非密封烧结。本专利技术中，步骤（1）、步骤（5）所述烧结及步骤（3）中所述预烧，其升温速度可为5~10℃/分钟。本专利技术的优点为：针对现有压电材料居里温度和综合压电性能无法同时满足特定指标的要求，提供了一种具有高居里温度且综合压电性能优异的复合钙钛矿BYPT-PZN新型高温压电陶瓷。该压电陶瓷同时具有较高的高居里温度（395～432）和较高压电常数（60～94）及适中机械品质因数（136.86～149.29），和较低的介电损耗低（0.006～0.010）等。可用于各种需要工作温度大于210℃的换能器、传感器等相关压电器件。与已有的性能较好的BSPT钙钛矿高温压电材料需使用价格极昂贵的元素钪相比，该新体系与其相比具有低得多的价格，是一种很有应用前景的高温压电材料。附图说明图1为实施例1制得的压电陶瓷的介温图谱。具体实施方式以下列出本专利技术的最优选的实施例，其仅用作对本专利技术的解释而不是限制。实施例1：将ZnO和Nb2O5混合球磨，烘干过筛后在1200℃烧结2h合成ZnNb2O6前驱体。将ZnNb2O6前驱体同Bi2O3，Yb2O3，PbO，TiO2，ZnO和Nb2O5按0.55(0.35BiYbO3-0.65PbTiO3)-0.45Pb(Zn1/3Nb2/3)O3摩尔配比称量，并加无水乙醇混合球磨，烘干过筛后于750℃预烧2h。将预烧合成块体混合球磨。烘干并加入PVA造粒，过筛后压制成直径为12mm,厚度为1.5mm左右的坯体。将坯体于1100℃下烧结2.5h。烧成后样品经过打磨、抛光、被银后，在140℃硅油中以3kV/mm电场极化20min。极化试样室温放置24h后测试其综合电性能为：d33=94pC/N，Qm142.152，Tc=424℃，tanδ=0.007，其介温谱图如图1所示。实施例2：将ZnO和Nb2O5混合球磨，烘干过筛后在1250℃烧结2h合成ZnNb2O6前驱体。将ZnNb2O6前驱体同Bi2O3，Yb2O3，PbO，TiO2，ZnO和Nb2O5按0.55(0.35BiYbO3-0.65PbTiO3)-0.45Pb(Zn1/3Nb2/3)O3摩尔配比称量，并加无水乙醇混合球磨，烘干过筛后于750℃预烧2h。将预烧合成块体混合球磨。烘干并加入PVA造粒，过筛后压制成直径为12mm,厚度为1.5mm左右的坯体。将坯体于1050℃下烧结3h。烧成后样品经过打磨、抛光、被银后，在150℃硅油中以4kV/mm电场极化20min。极化试样室温放置24h后测试其综合电性能为：d33=92pC/N，Qm＝139.533，Tc=421℃，tanδ=0.008。实施例3：将ZnO和Nb2O5混合球磨，烘干过筛后在1230℃烧结2h合成ZnNb2O6前驱体。将ZnNb2O6前驱体同Bi2O3，Yb2O3，PbO，TiO2，ZnO和Nb2O5按0.85(0.35BiYbO3-0.65PbTiO3)-0.15Pb(Zn1/3Nb2/3)O3摩尔配比称量，并加无水乙醇混合球磨，烘干过筛后于750℃预烧2h。将预烧合成块体混合球磨。烘干并加入PVA造粒，过筛后压制成直径为12mm,厚度为1.5mm左右的坯体。将坯体于1100℃下烧结3h。烧成后样品经过打磨、抛光、被银后，在150℃硅油中以4kV/mm电场极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电陶瓷，其特征在于，所述的压电陶瓷通式为(1‑x)(0.35BiYbO3‑0.65PbTiO3)‑xPb(Zn1/3Nb2/3)O3，其中x=0.15～0.85。

【技术特征摘要】
1.一种压电陶瓷，其特征在于，所述的压电陶瓷通式为(1-x)(0.35BiYbO3-0.65PbTiO3)-xPb(Zn1/3Nb2/3)O3，其中x＝0.15～0.85。2.一种制备权利要求1所述的压电陶瓷的方法，该方法包括以下步骤：(1)以ZnO和Nb2O5为原料配料，加入去离子水或无水乙醇混合球磨，烘干过筛后在1200-1250℃烧结1-3小时制得ZnNb2O6前驱体；(2)将步骤(1)制得的ZnNb2O6前驱体同Bi2O3，Yb2O3，PbO，TiO2，ZnO和Nb2O5按(1-x)(0.35BiYbO3-0.65PbTiO3)-xPb(Zn1/3Nb2/3)O3摩尔配比称量，其中x＝0.15～0.85，并加入去离子水或无水乙醇混合球磨；(3)将步骤(2)球磨后的料烘干过筛后，在700℃-850℃预烧，将预烧后块体再进行球磨；(4)将步骤(3)球磨后的料烘干，加入粘接剂进行造粒，过筛后压制成陶瓷坯体；(5)将陶瓷坯体...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭栋，时亮，廖擎玮，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11