本发明专利技术提供了一种高机电耦合性能锆钛酸铅细晶压电陶瓷，其分子式为Pb1-x-y-zBaxNbyNiz（ZraTi1-a）O3，其中0＜x≤0.1，0＜y≤0.08，0＜z≤0.08，0.51＜a≤0.6。本发明专利技术通过采用钡、铌、镍对锆钛酸铅压电陶瓷进行改性，获得了一种改性的高性能压电陶瓷。特别是当Pb1-x-y-zBaxNbyNiz（ZraTi1-a）O3，取代量x =0.06，y=0.05，z=0.03，a=0.55，合成反应温度为850℃时，获得的改性的压电陶瓷综合压电性能最好，其中，介电常数为3600，压电系数d33为620pC/N，机电耦合系数kp值为80%，介电损耗小于1%，平均晶粒控制在2-4微米，在保持较高的压电性能的同时具有优异的机械性能。相应的，本发明专利技术还提供了该细晶压电陶瓷的制备方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种压电陶瓷材料，具体涉及一种高机电耦合性能锆钛酸铅细晶压电陶瓷，同时还涉及该细晶压电陶瓷的制备方法。
技术介绍
压电陶瓷是通过高温烧结制成的，具有高介电常数、压电性及优异的机电耦合性能的一种新兴的陶瓷材料，能够将机械能和电能互相转换。其中最具有代表性的是锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷，PZT压电陶瓷由于其压电性能以及由压电性而引起的多种介电性能，在宇航、电子、计算机、激光、超声和能源等领域都得到了广泛的应用。随着各行业的不断的发展，对PZT压电陶瓷的压电性能要求也不断提高，因此，对纯的PZT压电陶瓷进行改性获得改性的PZT压电陶瓷材料，以提高其压电性能，使其能够满足日益提高的压电性能的需求，已经成为PZT压电陶瓷发展的必然趋势。压电陶瓷在需要良好的压电性能的同时，同样需要良好的力学性能。由于压电陶瓷本身存在的断裂韧性低的固有弱点，限制了其在实际应用中的范围。通过对压电陶瓷的断裂行为及增韧机理进行总结分析得出：对于穿晶断裂的压电陶瓷，主要增韧机理是微裂纹增韧，气孔率对韧性有负面影响；对于沿晶断裂的压电陶瓷，主要增韧机理是晶界解离，气孔率对其韧性有负面影响。通过对压电陶瓷的典型实验现象和己有的各种解释分析发现：通过加入第二相来增韧压电陶瓷，虽然显著改变了这些压电陶瓷的断裂韧性，但是会严重损害其压电性能；而通过自增韧的压电陶瓷不仅改善了断裂韧性，且保持了其优良的压电性能。中国专利CN201510179552.8公开了一种锰锑酸铅掺杂的铌镍-锆钛酸铅压电陶瓷（PMN-PZT），获得了一种化学式为（1-x）Pb（Ni1/3Nb2/3）0.5ZryTi0.5-yO3-xPbMn1/3Sb2/3O3（其中y=0.10~0.20，x=0~0.06）具有高压电系数以及优异的力学性能的（E~120GPa，K1C~1.4MPa·m1/2），但是该压电陶瓷的机电耦合系数仅达到0.53，能量转化效率过低，无法达到应用的要求。中国专利CN200410016324.0中公开了一种掺杂铌锰酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷材料及其制备工艺，以SrCO3置换部分PbO和添加MnCO3，获得了一种弯曲强度为97MPa、介电损耗小于0.5%、机电耦合系数最高达0.59的压电陶瓷材料，过低的机电耦合系数使其在应用时能量转化效率过低，无法达到应用的要求。在另一份天津大学的硕士学位论文“低损耗PMS-PZT压电陶瓷材料的研究”中，公开了一种组成为Pb1.02(Mn1/3Sb2/3)x(Zr0.47Ti0.48)(1-x)/0.95O3三元系压电陶瓷，其最佳压电系数d33为340pC/N，机械品质因数kp=0.585，相对介电常数为1369，介电损耗为0.31%的压电陶瓷材料，其相应的机械品质因数为0.585，远无法达到应用的要求。通过对现有技术文件的分析中发现，锆钛酸铅产品晶粒过大（7-12微米），气孔多，产品的脆性大，易在振动工作中开裂，导致性能不稳定，影响产品的机械性能和可靠性。通过采用细化晶粒（通常取2-4微米）的方式可以大幅度提高压电陶瓷产品的可靠性，但按通常该方法会同时降低锆钛酸铅的压电性能（如介电常数εr及机电耦合系数Kp等性能）。例如同样的PZT锆钛酸铅的基础配方，在晶粒为7-12微米时，其介电常数可达3500、机电耦合系数Kp可达0.75；但将烧后产品晶粒控制在2-4微米时，其压电性能会出现急剧下降，介电常数εmax达1700、机电耦合系数Kp最高达0.70。因而，如何获得一种具有综合机械性能优异、同时又具有较好的压电性能的压电陶瓷材料成为目前研究中极富挑战性的课题。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种高机电耦合性能锆钛酸铅细晶压电陶瓷，相应的，本专利技术还提供了该细晶压电陶瓷的制备方法。为了实现本专利技术的技术目的，本专利技术采用以下技术方案。一种高机电耦合性能锆钛酸铅细晶压电陶瓷，其分子式为Pb1-x-y-zBaxNbyNiz（ZraTi1-a）O3，其中0＜x≤0.1，0＜y≤0.08，0＜z≤0.08，0.51＜a≤0.6。优选的，一种高机电耦合性能锆钛酸铅细晶压电陶瓷，其分子式为Pb1-x-y-zBaxNbyNiz（ZraTi1-a）O3，其中x=0.06，y=0.05，z=0.03，a=0.55。一种高机电耦合性能锆钛酸铅细晶压电陶瓷的制备方法，包括如下步骤：（a）配料：按照压电陶瓷的成分及其化学计量比计算，称取原料，并将所述原料于球磨罐中球磨混合2.5小时，得到混合后的粉体；（b）预烧：将步骤（a）得到的混合后的粉体于氧化铝坩埚内密封，在800℃~900℃反应2.5h，得到预烧后粉体；（c）成型及排塑：将步骤（b）得到的预烧后粉体经球磨、烘干后流延成膜，冲制成坯体，采用两段升温排出有机物；（d）烧结：将步骤（c）得到的排出有机物后的坯体在步骤（b）中预烧后的粉体中于1210℃埋烧2小时，升温速度为5℃/min；（e）被电极：将步骤（d）得到的烧结后的坯体经超声水洗后烘干被银电极，于780℃保温10min后自然冷却，得到被电极制品；（f）极化：将步骤（e）得到的被电极制品于100℃的空气中，施加1.4kV/mm的直流电场，极化10min，得到压电陶瓷。优选的，所述步骤（a）中的原料为分析纯的Pb3O4、BaCO3、Nb2O5、NiO、ZrO2和TiO2；所述球磨混合的条件是原料：去离子水：球磨介质为1:2.5:1，转速为750rpm，所述球磨介质为ZrO2球。优选的，所述步骤（b）的预烧反应温度为850℃。优选的，所述步骤（b）中烘干温度为60~100℃。优选的，所述步骤（c）中坯体直径为17.20mm，厚度为12.5±0.5μm。优选的，所述步骤（c）中的两段升温是指先以3℃/min的升温速率升温至200℃，再以2℃/min的升温速率继续升温至400℃，保温30min后，再以5℃/min的升温速率升温至650℃，保温15min，排出坯体中有机物。优选的，所述步骤（e）中被电极采用丝网印刷工艺。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过采用钡、铌、镍对锆钛酸铅压电陶瓷进行改性，获得了一种改性的高性能压电陶瓷。特别是当Pb1-x-y-zBaxNbyNiz（ZraTi1-a）O3，取代量x=0.06，y=0.05，z=0.03，a=0.55，合成反应温度为850℃时，获得的改性的压电陶瓷综合压电性能最好，其中，介电常数为3600，压电系数d33为620pC/N，机电耦合系数kp值为80%，介电损耗小于1%，平本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高机电耦合性能锆钛酸铅细晶压电陶瓷，其特征在于：其分子式为Pb1‑x‑y‑zBaxNbyNiz（ZraTi1‑a）O3，其中0＜x≤0.1，0＜y≤0.08，0＜z≤0.08，0.51＜a≤0.6。
【技术特征摘要】
1.一种高机电耦合性能锆钛酸铅细晶压电陶瓷，其特征在于：其分子式为Pb1-x-y-zBaxNbyNiz（ZraTi1-a）O3，其中0＜x≤0.1，0＜y≤0.08，0＜z≤0.08，0.51＜a≤0.6。
2.根据权利要求1所述的一种高机电耦合性能锆钛酸铅细晶压电陶瓷，其特征在于：其
分子式为Pb1-x-y-zBaxNbyNiz（ZraTi1-a）O3，其中x=0.06，y=0.05，z=0.03，a=0.55。
3.如权利要求1或2所述的一种高机电耦合性能锆钛酸铅细晶压电陶瓷的制备方法，其
特征在于，包括如下步骤：
（a）配料：按照压电陶瓷的成分及其化学计量比计算，称取原料，并将所述原料于球磨
罐中球磨混合2.5小时，得到混合后的粉体；
（b）预烧：将步骤（a）得到的混合后的粉体于氧化铝坩埚内密封，在800℃~900℃反应
2.5h，得到预烧后粉体；
（c）成型及排塑：将步骤（b）得到的预烧后粉体经球磨、烘干后流延成膜，冲制成坯体，
采用两段升温排出有机物；
（d）烧结：将步骤（c）得到的排出有机物后的坯体在步骤（b）中预烧后的粉体中于1210
℃埋烧2小时，升温速度为5℃/min；
（e）被电极：将步骤（d）得到的烧结后的坯体经超声水洗后烘干被银...
【专利技术属性】
技术研发人员：姜知水，欧明，文理，
申请(专利权)人：广东捷成科创电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44
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