一种氧化锂-三价氧化物共掺杂ABO3结构高温度稳定性压电陶瓷材料及其制备方法技术

一种氧化锂‑三价氧化物共掺杂ABO3结构高温度稳定性压电陶瓷材料及其制备方法，它涉及一种压电陶瓷材料及其制备方法。本发明专利技术压电陶瓷的化学通式为A1‑2xLixMxBO3，x＝0.1～10mol％，或为A1‑2xLixMxTiyZr1‑yO3，x＝0.1～10mol％，y＝0～100mol％。制备的氧化锂‑氧化铝共掺杂钛酸钡陶瓷(LixAlx Ba1‑2xTiO3)在x＝1mol％时d33＝301pC/N，退极化温度接近居里温度，同样，制备的氧化锂‑氧化铅公掺杂锆钛酸铅陶瓷(LixAlxPb1‑2xZr0.52Ti0.48O3)在x＝1mol％时d33＝320pC/N，退极化温度接近居里温度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种压电陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
压电陶瓷材料在电子功能材料领域中占有相当大的比重，受到广泛的关注。最早的压电材料主要是压电单晶材料，但单晶材料的制备成本高昂，随后制备工艺简单的多晶陶瓷材料被发现，压电陶瓷材料是以发现BaTiO3(BT)陶瓷开始的，并且BT陶瓷一经发现就得到实际运用，研究者不断对与BT结构相类似的ABO3型钙钛矿结构陶瓷进行改性，得到一些更加优异性能的材料，并广泛应用于滤波器、压电换能器等各种压电器件中。对ABO3型钙钛矿结构的压电陶瓷进行改性的方法主要是通过掺杂获得两相或多相共存，掺杂获得大压电效应最基本的途径有两种：一种是多相转变(polymorphic phase transition，PPT),如KNN体系，当正交相(orthorhombic，O)到四方相(tetragonal，T)的相转变温度TO-T降至室温附近时，利用温度驱动的O→T相变也能够产生大的压电性能，这种方法有一个比较大的缺点，即压电陶瓷的温度稳定性不好，因为随着温度的增加，陶瓷发生相变，不在处于两相共存区域；另一种是设计准同型相界(Morphotropic Phase Boundary，MPB)，MPB最早在铅基压电陶瓷中发现(PZT),MPB是指ABO3钙钛矿型铁电固溶体相图中准同型相的分界线，在MPB附近，会出现很高的介电和压电性能，这种现象被称为MPB效应.。例如PZT系中四方相(T相)和菱方相(R相)的分界线(Zr：Ti＝52：48),随后在无铅压电陶瓷体系(Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-(Ba0.7Ca0.3)TiO3(BZT-BCT))中也发现了MPB，并且获得了较大的压电系数，但该体系的居里温度偏低制约了它的实用化。除了掺杂改性以外，特殊的烧结工艺以及陶瓷晶粒的细化也能够获得较为大的压电系数，例如，申请号为200710114644.3，公开号为CN101182203的专利公开了一种钛酸钡基压电陶瓷材料的制备方法，它通过制备晶粒粒径平均尺寸在0。2-7.5μm的陶瓷，从而获得压电系数d33值大于225pC/N的钛酸钡压电陶瓷材料。在所公开的专利中，在ABO3型钙钛矿结构压电陶瓷中获得大的压电效应基本来源于以上三种方法。通过PPT获得的大压电效应存在温度稳定性低的缺点；虽然MPB附近的压电系数很大，但寻找MPB的过程却是十分漫长的，因为MPB只存在于比较狭小的组分区间内，所以前期的实验工作量是很大的；特殊的烧结工艺虽然能获得较大的压电系数，但烧结工艺的复杂性给工业化大规模生产带来了不便。本专利技术通过简单的掺杂与传统烧结工艺在压
电陶瓷中获得高温度稳定性的大压电系数，掺杂效果在两种典型的ABO3结构陶瓷中得到验证，本专利技术利用简单的制备工艺获得性能优异的压电陶瓷，符合商业化生产的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过普通原料和传统固相合成法制备高压电性能的ABO3(A:+2B:+4)型压电陶瓷，而提供了Li2O与M2O3(M:Al、Ga、In、TI或La系元素)共掺杂ABO3型氧化物而形成A1-2xLixMxBO3压电陶瓷的制备方法。本专利技术的一种氧化锂-三价氧化物共掺杂ABO3结构高温度稳定性压电陶瓷材料，它的化学组成通式为A1-2xLixMxTiO3；其中，A为二价金属阳离子；M为三价金属阳离子；其中，x＝0.1～10mol％。本专利技术的一种氧化锂-三价氧化物共掺杂ABO3结构高温度稳定性压电陶瓷材料的制备方法，它是按照以下步骤制备的：一、配料：将原料ACO3(AO)、TiO2、Li2O和M2O3按化学计量比A1-2xLixMxTiO3进行称量，其中x＝0.1～10mol％；二、将步骤一称量的原料放入尼龙球墨罐中，介质为乙醇和氧化锆球，球料比为3:1，球磨机转速为350r/min，球磨时间为13～15h；球磨结束后将浆料放于80℃下保温烘干24h，之后将粉料收集；三、预烧结：将步骤二获得的粉料放入高纯氧化铝干锅中，以5℃/min的升温速率升温至1150～1250℃、800～1000℃或1000～1300℃，保温2～6h；四、球磨：将步骤三中预烧结后的粉体再次放入球磨罐中，球磨介质为无水乙醇和氧化锆球，球料比为3:1，球磨机转速为350r/min，球磨时间为13～15h；结束后将浆料放于80℃下保温烘干24h，之后将粉料收集；五、造粒：将步骤四烘干后的粉体进行研磨、过筛，然后添加少量5wt.％聚乙烯醇充分研磨进行造粒；六、成型：将步骤五造粒后的粉体放入模具中，在7～10MPa的压力下压制成圆片；七、排胶：将步骤六中所压制的圆片放入高温烧结炉中，以1～1.5℃/min的升温速率升温至500℃，保温1h进行排胶；八、烧结将步骤七中排胶后的圆片放入高纯氧化铝陶瓷坩埚中，(，以5℃/min的升温速率升温至1300～1400℃、1200～1300℃或1300～1450℃，保温2～6h，随炉冷却至室温，得到化学通式为A1-2xLixMxTiO3的压电陶瓷；九、被银将步骤八中得到的压电陶瓷片表面进行抛光，在表面涂抹银浆，然后将陶瓷片放入烧结炉中，在500℃下退火，保温30min；十、极化将步骤九中获得的带有银电极的陶瓷片置于80～120℃温度下极化30min，其中极化场强为1-3kv/mm，即完成所述的氧化锂-三价氧化物共掺杂ABO3结构高温度稳定性压电陶瓷材料制备。本专利技术的一种氧化锂-三价氧化物共掺杂ABO3结构高温度稳定性压电陶瓷材料，它的化学组成通式为A1-2xLixMxTiyZr1-yO3；其中，A为二价金属阳离子；M为三价金属阳离子；其中，x＝0.1～10mol％，y＝0～100mol％。本专利技术的一种氧化锂-三价氧化物共掺杂ABO3结构高温度稳定性压电陶瓷材料的制备方法，它是按照以下步骤进行的：一、配料：将原料ACO3(AO)、TiO2、ZrO2、Li2O和M2O3按化学计量比A1-2xLixMxTiyZr1-yO3进行称量，其中，x＝0.1～10mol％，y＝0～100mol％；二、球磨将步骤一称量的原料放入尼龙球墨罐中，介质为乙醇和氧化锆球，球料比为3:1，球磨机转速为350r/min,球磨时间为13～15h；结束后将浆料放于80℃下保温烘干24h，之后将粉料收集；三、预烧结：将步骤二获得的粉料放入高纯氧化铝干锅中，以5℃/min的升温速率升温至1150～1250℃、800～1000℃或1000～1300℃，保温2～6h；四、球磨将步骤三中预烧结后的粉体再次放入球磨罐中，球磨介质为无水乙醇和氧化锆球，球
料比为3:1，球磨机转速为350r/min，球磨时间为13～15h；结束后将浆料放于80℃下保温烘干24h，之后将粉料收集；五、造粒将步骤四烘干后的粉体进行研磨、过筛，然后添加5wt.％聚乙烯醇充分研磨进行造粒；六、成型将步骤五造粒后的粉体放入模具中，在7～10MPa的压力下压制成圆片；七、排胶将步骤六中所压制的圆片放入高温烧结炉中，以1～1.5℃/min的升温速率升温至500℃，保温1h进行排胶；八、烧结将步骤七中排胶后的圆片放入高纯氧化铝陶瓷坩埚中，以5℃/min的升温速率升温至1300～1400℃、1200～1300℃或1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化锂‑三价氧化物共掺杂ABO3结构高温度稳定性压电陶瓷材料，其特征在于它的化学组成通式为A1‑2xLixMxTiO3；其中，A为二价金属阳离子；M为三价金属阳离子；其中，x＝0.1～10mol％。

【技术特征摘要】
1.一种氧化锂-三价氧化物共掺杂ABO3结构高温度稳定性压电陶瓷材料，其特征在于它的化学组成通式为A1-2xLixMxTiO3；其中，A为二价金属阳离子；M为三价金属阳离子；其中，x＝0.1～10mol％。2.根据权利要求1所述的一种氧化锂-三价氧化物共掺杂ABO3结构高温度稳定性压电陶瓷材料，其特征在于所述的二价金属阳离子为Ba2+、Pb2+、Sr2+、Ca2+或Zn2+；所述的三价金属阳离子为Al、Ga、In、TI或La系元素。3.一种氧化锂-三价氧化物共掺杂ABO3结构高温度稳定性压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于它是按照以下步骤制备的：一、配料：将原料ACO3(AO)、TiO2、Li2O和M2O3按化学计量比A1-2xLixMxTiO3进行称量，其中x＝0.1～10mol％；二、将步骤一称量的原料放入尼龙球墨罐中，介质为乙醇和氧化锆球，球料比为3:1，球磨机转速为350r/min，球磨时间为13～15h；球磨结束后将浆料放于80℃下保温烘干24h，之后将粉料收集；三、预烧结：将步骤二获得的粉料放入高纯氧化铝干锅中，以5℃/min的升温速率升温至1150～1250℃、800～1000℃或1000～1300℃，保温2～6h；四、球磨：将步骤三中预烧结后的粉体再次放入球磨罐中，球磨介质为无水乙醇和氧化锆球，球料比为3:1，球磨机转速为350r/min，球磨时间为13～15h；结束后将浆料放于80℃下保温烘干24h，之后将粉料收集；五、造粒：将步骤四烘干后的粉体进行研磨、过筛，然后添加少量5wt.％聚乙烯醇充分研磨进行造粒；六、成型：将步骤五造粒后的粉体放入模具中，在7～10MPa的压力下压制成圆片；七、排胶：将步骤六中所压制的圆片放入高温烧结炉中，以1～1.5℃/min的升温速率升温至500℃，保温1h进行排胶；八、烧结将步骤七中排胶后的圆片放入高纯氧化铝陶瓷坩埚中，(，以5℃/min的升温速率升温至1300～1400℃、1200～1300℃或1300～1450℃，保温2～6h，随炉冷却至室温，得到化学通式为A1-2xLixMxTiO3的压电陶瓷；九、被银将步骤八中得到的压电陶瓷片表面进行抛光，在表面涂抹银浆，然后将陶瓷片放入烧结炉中，在500℃下退火，保温30min；十、极化将步骤九中获得的带有银电极的陶瓷片置于80～120℃温度下极化30min，其中极化场强为1-3kv/mm，即完成所述的氧化锂-三价氧化物共掺杂ABO3结构高温度稳定性压电陶瓷材料制备。4.根据权利要求3所述的一种氧化锂-三价氧化物共掺杂ABO3结构高温度稳定性压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于若步骤一中的化学通式A1-2xLixMxTiO3中的A为Ba2+离子，则步骤三中的温度升至1150～1250℃，步骤八中的温度升至1300～1400℃；若步骤一中的化学通式A1-2xLixMxTiO3中的A为Pb2+离子，则步骤三中的温度升至800～1000℃，步骤八中的温度升至1200～1300℃；若步骤一中的化学通式A1-2xLixMxTiO3中的A为Sr2+离子，则步骤三中的温度升至1000～1300℃，步骤八中的温度升至1300～1450℃。5.根据权利要求3所述的一种氧化锂-三价氧化物共掺杂ABO3结构高温度稳定性压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于若步骤一中的化学通式A1-2xLixMxTiO3中的A为Pb2+离子，则步骤八中的圆片需要用步骤二收集的粉料覆盖。6.一种氧化锂-三价氧化物共掺杂ABO3结构高...

【专利技术属性】
技术研发人员：费维栋，冯宇，李伟力，徐丹，
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