一种多元系高压电活性压电陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种多元系高压电活性压电陶瓷材料及其制备方法,属于非金属材料技术领域，所述材料的组成用通式xPb(Ni1/3Nb2/3)O3‑yPb(Zn1/3Sb2/3)O3‑zPb(Zn1/3Nb2/3)O3‑(1‑x‑y‑z)Pb1‑m‑nBamSrnTiAZr1‑AO3‑pWO3表示，其中0.01≤x≤0.14，0.01≤y≤0.07，0.005≤z≤0.10，0.02≤m≤0.16，0.02≤n≤0.12，0.42≤A≤0.53，0.002≤p≤0.015；所述材料的制备方法包括配料合成、预烧、球磨、造粒、成型、排胶、埋烧、焙银、极化，具有工艺步骤简单、重复性好、良品率高的优点；所制备的陶瓷样品性能与文献报道中同类的压电材料相比，压电应变常数d33和平面机电耦合系数Kp有明显的提高，易于工业大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于非金属材料
，主要涉及到压电电子器件和电致伸缩器件，特别涉及一种多元系高压电活性压电材料及其制备方法。
技术介绍
作为无机非金属材料重要的组成部分——压电陶瓷，可以实现电能和机械能的相互转化，机械应力引起内部正负电荷中心产生相对位移，发生极化，从而在材料的两端表面出现符号相反的电荷，以产生压电效应。压电效应包括正压电效应和逆压电效应两个部分。正压电效应即在一定方向对介质施加力的作用，使之变形内部出现极化，同时在两个相对表面上出现正负相反的电荷，而当撤除外力后，它又会恢复到不带电状态的现象。逆压电效应则是当在电介质的极化方向上施加电场，电介质会产生形变，电场去掉后，形变消失的现象即为逆压电效应。这种独特的机电转换效应使得压电材料在工业生产和日常生活中有着广泛的应用。从最普通的压电谐振器，到压电点火器、压电蜂鸣器、压电倾斜仪、压电加速度计，以及在高科技领域中应用的压电SAW延迟器和振荡器等，我们都可以看到压电陶瓷的存在。除此之外，随着技术与工艺不断更新换代，高位移的新型压变压器、压电电致动器、用于主动减小振动和降低噪声的压电器件、医用微型压电陶瓷传感器等新的产品也不断产生。目前，压电陶瓷的研究工作主要集中在三元、四元系的研究中，但获得高d33和Kp的体系尚不多见，特别是d33超过1000pC/N的基本没有。因此本专利技术旨在将Pb(Ni1/3Nb2/3)O3、Pb(Zn1/3Sb2/3)O3、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3与以PZT为基础掺杂了Ba、Sr及少量W的PBSZT进行复合，研究一种具有优良压电和介电性能的多元系压电陶Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Zn1/3Sb2/3)O3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbBaSrTiZrO3(PNN-PZS-PZN-PBSZT)。通过深入研究Pb(Ni1/3Nb2/3)O3、Pb(Zn1/3Sb2/3)O3、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3的含量，Zr/Ti比和PZT中Ba、Sr、W的掺杂量对本体系陶瓷性能的影响，从而寻找出最佳的组成配方，以制备同时具有高d33和Kp的压电陶瓷驱动器材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种高压电活性的，易于生产，良品率高的驱动器用多元系压电陶瓷材料。解决上述问题所采用的方案是：本专利技术首先提供一种高压电活性驱动器用多元系压电陶瓷材料，所述材料的组成用下述通式表示：xPb(Ni1/3Nb2/3)O3-yPb(Zn1/3Sb2/3)O3-zPb(Zn1/3Nb2/3)O3-(1-x-y-z)Pb1-m-nBamSrnTiAZr1-AO3-pWO3，其中0.01≤x≤0.14，0.01≤y≤0.07，0.005≤z≤0.10，0.02≤m≤0.16，0.02≤n≤0.12，0.42≤A≤0.53，0.002≤p≤0.015。其中0.01≤x≤0.04，0.01≤y≤0.05，0.01≤z≤0.02，0.12≤m+n≤0.19，0.43≤A≤0.44，0.002≤p≤0.015或者0.10≤x≤0.14，0.02≤y≤0.04，0.010≤z≤0.05，0.10≤m+n≤0.12，0.46≤A≤0.50，0.002≤p≤0.010时，材料的压电活性较高。本专利技术还提供上述高压电活性驱动器用多元系压电陶瓷的制备方法，按照以下步骤进行：(1)按材料的组成通式xPb(Ni1/3Nb2/3)O3-yPb(Zn1/3Sb2/3)O3-zPb(Zn1/3Nb2/3)O3-(1-x-y-z)Pb1-m-nBamSrnTiAZr1-AO3-pWO3计算所需要的原料；再按照化学式NiNb2O6、ZnSb2O6、ZnNb2O6将氧化亚镍(NiO)、氧化锌(ZnO)、三氧化二锑(Sb2O3)、五氧化二铌(Nb2O5)与部分红丹(即四氧化三铅，又名铅丹，Pb3O4，所含铅量占材料总铅量的16％)、碳酸钡(BaCO3，所含钡量占材料总钡量14％)、碳酸锶(SrCO3，所含锶量占材料总锶量70％)装入球磨罐中进行混合，预烧，形成前驱体。此步骤确保了镍、锌离子在陶瓷晶胞中占据合适的位置，对提高最终压电陶瓷的性能至关重要。(2)将步骤(1)中得到的前驱体球磨成粒径D50为0.5-0.8μm的粉体，烘干备用；(3)按材料的组成通式xPb(Ni1/3Nb2/3)O3-yPb(Zn1/3Sb2/3)O3-zPb(Zn1/3Nb2/3)O3-(1-x-y-z)Pb1-m-nBamSrnTiAZr1-AO3-pWO3将步骤(2)中得到的前驱体与剩余的Pb3O4、BaCO3、SrCO3、TiO2、ZrO2、WO3混合，进行二次预烧；(4)将步骤(3)中得到的二次预烧料进行球磨，得到浆料；(5)将步骤(4)中得到的粉料按常规压电陶瓷生产工艺进行造粒，成型，埋烧，焙银；(6)将步骤(5)中得到的陶瓷样品进行极化，得到压电陶瓷样品。步骤(1)中的预烧温度为850～1200℃，保温时间为2～4h。步骤(1)、(2)、(4)中的球磨均在球磨机中进行，加入蒸馏水为分散介质和氧化锆球为球磨介质，氧化锆球与原料的质量比为3:1，球磨时间为4小时，转速为380r/min；烘干温度为150℃。步骤(3)中二次预烧的温度为850-880℃，保温2～4h。步骤(5)中的埋烧温度为1260～1310℃，保温1.5～3h。步骤(8)中的极化在室温的硅油中进行，时间为1min。与现有技术相比较，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术采用二次预烧工艺，先将烧结活性相对较差的镍、锌元素的化合物与碱性较强的锶、钡的化合物混合预烧，以少量氧化铅为扩散促进剂，氧化铅的熔点较低，在预烧时可以产生液相，从而促进离子在高温条件下的扩散能力，有利于铌镍酸盐、锌锑酸盐或铌锌酸盐的形成。(2)本专利技术经过大量的研究探索以及重复实验，结果表明，工艺步骤相对简单，复现性好，良品率高，易于工业大规模生产，所制备的陶瓷样品性能与文献报道中同类的压电材料相比，压电应变常数d33和平面机电耦合系数Kp有明显的提高。压电应变常数最高可达1100pC/N、机电耦合系数可达为0.72～0.80、室温相对介电常数为4000～7200。本专利技术制备的压电陶瓷材料可以用于制备压电振子、驱动器、压电蜂鸣器等领域，尤其适合经编纺织机大驱动力贾卡制造。附图说明图1为实施例2中不同Zr/Ti条件下制备的压电陶瓷材料的XRD图谱。图2为实施例2中不同Zr/Ti条件下制备的压电陶瓷材料的SEM图谱；图中2a、2b、2c依次为Zr/Ti为57/43、56/44、55/45条件下制备的压电陶瓷材料的XRD图谱；左侧图和右侧图分别为在不同电镜大小下的结果，左侧均为×10000倍下，标尺大小均为1μm，右侧均为×5000倍下，标尺大小均为5μm。图3为实施例2中不同烧结条件下制备的压电陶瓷材料的SEM图谱；图中3a、3b、3c的烧结温度依次为1260℃、1270℃、1280℃。左侧图和右侧图分别为不同电镜大小下的结果，左侧均为×10000倍下，标尺大小均为1μm，右侧均为×5000倍下，标尺大小均为5μm。图4为实施例4中制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多元系高压电活性压电陶瓷材料，其特征在于，所述材料的组成用下述通式表示：xPb(Ni1/3Nb2/3)O3‑yPb(Zn1/3Sb2/3)O3‑zPb(Zn1/3Nb2/3)O3‑(1‑x‑y‑z)Pb1‑m‑nBamSrnTiAZr1‑AO3‑pWO3。其中0.01≤x≤0.14，0.01≤y≤0.07，0.005≤z≤0.10，0.02≤m≤0.16，0.02≤n≤0.12，0.42≤A≤0.53，0.002≤p≤0.015。

【技术特征摘要】
1.一种多元系高压电活性压电陶瓷材料，其特征在于，所述材料的组成用下述通式表示：xPb(Ni1/3Nb2/3)O3-yPb(Zn1/3Sb2/3)O3-zPb(Zn1/3Nb2/3)O3-(1-x-y-z)Pb1-m-nBamSrnTiAZr1-AO3-pWO3。其中0.01≤x≤0.14，0.01≤y≤0.07，0.005≤z≤0.10，0.02≤m≤0.16，0.02≤n≤0.12，0.42≤A≤0.53，0.002≤p≤0.015。2.根据权利要求1所述的一种多元系高压电活性压电陶瓷材料，其特征在于，所述材料的组成中，其中0.01≤x≤0.04，0.01≤y≤0.05，0.01≤z≤0.02，0.12≤m+n≤0.19，0.43≤A≤0.44，0.002≤p≤0.015。3.根据权利要求1所述的一种多元系高压电活性压电陶瓷材料，其特征在于，所述材料的组成中，0.10≤x≤0.14，0.02≤y≤0.04，0.010≤z≤0.05，0.10≤m+n≤0.12，0.46≤A≤0.50，0.002≤p≤0.010。4.一种多元系高压电活性压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，按照如下步骤进行：(1)按材料的组成通式xPb(Ni1/3Nb2/3)O3-yPb(Zn1/3Sb2/3)O3-zPb(Zn1/3Nb2/3)O3-(1-x-y-z)Pb1-m-nBamSrnTiAZr1-AO3-pWO3计算所需要的原料；再按照化学式NiNb2O6、ZnSb2O6、ZnNb2O6将氧化亚镍、氧化锌、三氧化二锑、五氧化二铌与部分红丹、碳酸钡、碳酸锶装入球磨罐中进行混合，预烧，形成前驱体；(2)将步骤(1)中得到的前驱体球磨成粒径D50为0.5-0.8μm的粉体，烘干备用；(3)按材料的组成通式xPb(Ni1/3Nb2/3)O3-yPb(Zn1/3Sb2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李坤，陈森，成炎炎，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32