氧化锌掺杂锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷制造技术

本发明专利技术公开了一种ZnO掺杂锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷及其制备方法，其化学计量式为(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3‑xmol％ZnO，其中x＝0.03～0.24。目前现有技术的纯相(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3的压电性能较低，d33为300左右。本发明专利技术以锆钛酸钡钙压电陶瓷为基础，采用传统的固相反应法，加入ZnO来改善电学性能，提高d33，制备出具有较好综合性能的(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3‑xmol％ZnO压电陶瓷材料，其烧结温度为1450℃，x＝0.06时，其εr＝4928,d33＝626pC/N。本发明专利技术制备的压电陶瓷材料主要应用压电变压器、压电发电器、能量转换器、传感器和接收器等领域。本发明专利技术工艺简单，降低了成本，减少了污染。

Zinc Oxide doped barium zirconate titanate calcium free piezoelectric ceramics

The invention discloses a ZnO doped calcium barium zirconate titanate lead-free piezoelectric ceramics and its preparation method, its stoichiometry for (Ba0.85Ca0.15) (Zr0.10Ti0.90) O3 xmol%ZnO, where x = 0.03 ~ 0.24. At present, the piezoelectric properties of the pure phase (Ba0.85Ca0.15) (Zr0.10Ti0.90) O3 of the prior art are lower, and the d33 is about 300. The invention uses calcium barium zirconate titanate piezoelectric ceramics as the foundation, using the conventional solid-state reaction method, adding ZnO to improve electrical performance, improve d33, prepared with good comprehensive properties of (Ba0.85Ca0.15) (Zr0.10Ti0.90) O3 xmol%ZnO piezoelectric ceramic materials, the sintering temperature is 1450 DEG C, x = 0.06. The epsilon r = 4928, d33 = 626pC/N. The piezoelectric ceramic material prepared by the invention is mainly applied in the fields of piezoelectric transformers, piezoelectric generators, energy converters, sensors and receivers. The invention has the advantages of simple process, low cost and less pollution.

【技术实现步骤摘要】
氧化锌掺杂锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷
本专利技术是关于以成分为特征的陶瓷组合物，尤其涉及(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3体系的无铅压电陶瓷。
技术介绍
压电材料是实现电能和机械能相互转换的一类重要功能材料。因此压电材料在机械、电子通讯、军事等诸多领域有着广泛的应用，是一类极其重要的高技术新材料。其主要应用有：压电变压器、压电超声换能器、压电继电器、压电信号发生器、标准信号源、滤波器等等。现今电子元件几乎遍布人们生活的每一个方面，但是大多数电子元器件是含铅的，给人们的生活环境造成了严重污染。其原因主要是目前在压电陶瓷领域，锆钛酸铅基陶瓷是在基础研究和实用方面都是最为成功的一类材料，但是由于其中含铅，在制备、使用及废弃后处理过程中都会给人类及生态环境带来严重危害。在这种铅污染日益严重的情况下，人们对“压电陶瓷无铅化”的需求变得更为迫切。近年来，包括我国在内的一系列国家相继颁布了一系列的法令，限制含铅材料在电力、电子设备上的应用。因此，为提升我国在压电陶瓷领域的国际竞争力，开展无铅压电陶瓷的创新性研究有着重要的战略意义。目前无铅压电陶瓷体系主要有：钨青铜结构无铅压电陶瓷、铋层状结构无铅压电陶瓷、钙钛矿型结构无铅压电陶瓷等类型。(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3是一种具有ABO3型的钙钛矿结构铁电体，其特点包括：较高的介电常数、高压电性能、低介电损耗和正温度系数效应等优异电学性能。其晶体结构有四种，分别为立方向、四方相、三方相和单斜相。目前BCZT被广泛的用作能量转换器、传感器和接收器等领域。并且其具备优良的微波特性，并被用作多层基片，陶瓷电容器、发光器件、天线等。BCZT陶瓷虽然具有优良的压电性能，但与铅基PZT压电陶瓷相比，还有一定的不足，主要压电性能还有待提高，目前本实验室纯相BCZT压电性能d33在300左右，通过在配方、制备工艺和掺杂改性方面的一些研究，以期获得优良的压电性能，以实现其在压电材料上的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的，是解决(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3无铅压电陶瓷压电性能较低的弊端，通过加入ZnO提高电学性能，提供一种能具有较好的电学性能的(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3体系无铅压电陶瓷。本专利技术通过如下技术方案予以实现。一种ZnO掺杂锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷，其化学计量式为(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3-xmol％ZnO，其中x＝0.03～0.24；该ZnO掺杂锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷的制备方法，具有如下步骤：(1)配料将原料CaCO3、BaCO3、TiO2和ZrO2，按(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3的化学计量比，以及外加0.03～0.24mol％的ZnO混合后放入球磨罐中；球磨介质为去离子水和氧化锆球，球：料：去离子水的重量比为2：1：0.6；再将混合料放入烘箱内于90℃烘干，然后放入研钵内研磨，过40目筛；(2)合成将步骤(1)中过筛后的粉料，放入坩埚内，压实，加盖，密封，在合成炉中于1150℃合成，保温4h，自然冷却到室温，出炉；(3)二次球磨将步骤(2)的合成料放入球磨罐中球磨粉碎，再将球磨后的料放入烘箱内于90℃烘干，然后放入研钵内研磨，过60目筛；(4)压片将步骤(3)过筛后的粉料，外加质量百分比为7wt.％的聚乙烯醇水溶液进行造粒，压柱均化，再将其捣碎，研磨过筛，压制成型为坯件；(5)排胶将步骤(4)的坯件放入马弗炉中，以5℃/min的速率升温至650℃，保温1h，并于200℃和350℃各保温1h，进行有机物排除；(6)烧结将步骤(5)排胶后的坯件放进坩埚中加入垫料进行埋烧，以5℃/min的升温速率升温至1350～1450℃烧结，保温4h，随炉自然冷却至室温，制得ZnO掺杂锆钛酸钡钙陶瓷；(7)涂电极与表面处理将步骤(6)得到的ZnO掺杂锆钛酸钡钙压电陶瓷上下两个面进行抛光至厚度为1mm，然后在上下表面利用丝网印刷的方式涂覆银胶电极，以7℃/min的升温速率升温至735℃烧银，保温15min。冷却取出后放入硅油中，在25℃条件下，用直流电场极化，得到ZnO掺杂锆钛酸钡钙压电陶瓷。(8)测试压电性能将步骤(7)极化后的压电陶瓷，于室温静置24h，使用Agilent,N5230C网络分析仪，ZJ-3AN型准静态d33测量仪测试其εr，d33性能。其化学计量式为(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3-xmol％ZnO，其中x＝0.06。所述步骤(1)的球磨时间为6h，球磨机转速为750转/分钟。所述步骤(3)的球磨时间为12h，球磨机转速为750转/分钟。所述步骤(4)压制成型的压强为200MPa。所述步骤(4)压制成型的坯件为直径12mm，厚度1～1.5mm的圆柱状坯件。所述步骤(6)的烧结温度为1450℃。所述步骤(7)的极化场强为4500V/mm，极化时间为25min。本专利技术的有益效果，是以(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3压电陶瓷为基础，采用加入ZnO来提高压电系数d33的方法，通过配方与工艺的调整和改进，来制备具有较好综合性能的(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3-xmol％ZnO，式中x＝0.03～0.24，本专利技术提高了压电系数d33，得到了一种综合性能较好的压电陶瓷，其中εr＝4928,d33＝626pc/N。附图说明图1是本专利技术的介电常数图谱；图2是本专利技术的压电常数d33图谱。具体实施方式本专利技术采用的原料CaCO3、BaCO3、TiO2、ZrO2和ZnO，均为市售的化学纯原料(纯度≥99％)。本专利技术的制备方法如下：(1)配料将原料CaCO3、BaCO3、TiO2和ZrO2，按(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3的化学计量比，以及外加0.03～0.24mol％的ZnO混合后放入球磨罐中；球磨介质为去离子水和氧化锆球，球：料：去离子水的重量比为2：1：0.6；再将混合料放入烘箱内于90℃烘干，然后放入研钵内研磨，过40目筛；(2)合成将步骤(1)中过筛后的粉料，放入坩埚内，压实，加盖，密封，在合成炉中于1150℃合成，保温4h，自然冷却到室温，出炉；(3)二次球磨将步骤(2)的合成料放入球磨罐中球磨粉碎，再将球磨后的料放入烘箱内于90℃烘干，然后放入研钵内研磨，过60目筛；(4)压片将步骤(3)过筛后的粉料，外加质量百分比为7wt.％的聚乙烯醇水溶液进行造粒，压柱均化，再将其捣碎，研磨过筛，压制成型为坯件；(5)排胶将步骤(4)的坯件放入马弗炉中，以5℃/min的速率升温至650℃，保温1h，并于200℃和350℃各保温1h，进行有机物排除；(6)烧结将步骤(5)排胶后的坯件放进坩埚中加入垫料进行埋烧，以5℃/min的升温速率升温至1350～1450℃烧结，保温4h，随炉自然冷却至室温，制得ZnO掺杂锆钛酸钡钙陶瓷；(7)涂电极与表面处理将步骤(6)得到的ZnO掺杂锆钛酸钡钙压电陶瓷上下两个面进行抛光至厚度为1mm，然后在上下表面利用丝网印刷的方式涂覆银胶电极，以7℃/min的升温速率升温至735℃烧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ZnO掺杂锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷，其化学计量式为(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3‑xmol％ZnO，其中x＝0.03～0.24；该ZnO掺杂锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷的制备方法，具有如下步骤：(1)配料将原料CaCO3、BaCO3、TiO2和ZrO2，按(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3的化学计量比，以及外加0.03～0.24mol％的ZnO混合后放入球磨罐中；球磨介质为去离子水和氧化锆球，球：料：去离子水的重量比为2：1：0.6；再将混合料放入烘箱内于90℃烘干，然后放入研钵内研磨，过40目筛；(2)合成将步骤(1)中过筛后的粉料，放入坩埚内，压实，加盖，密封，在合成炉中于1150℃合成，保温4h，自然冷却到室温，出炉；(3)二次球磨将步骤(2)的合成料放入球磨罐中球磨粉碎，再将球磨后的料放入烘箱内于90℃烘干，然后放入研钵内研磨，过60目筛；(4)压片将步骤(3)过筛后的粉料，外加质量百分比为7wt.％的聚乙烯醇水溶液进行造粒，压柱均化，再将其捣碎，研磨过筛，压制成型为坯件；(5)排胶将步骤(4)的坯件放入马弗炉中，以5℃/min的速率升温至650℃，保温1h，并于200℃和350℃各保温1h，进行有机物排除；(6)烧结将步骤(5)排胶后的坯件放进坩埚中加入垫料进行埋烧，以5℃/min的升温速率升温至1350～1450℃烧结，保温4h，随炉自然冷却至室温，制得ZnO掺杂锆钛酸钡钙陶瓷；(7)涂电极与表面处理将步骤(6)得到的ZnO掺杂锆钛酸钡钙压电陶瓷上下两个面进行抛光至厚度为1mm，然后在上下表面利用丝网印刷的方式涂覆银胶电极，以7℃/min的升温速率升温至735℃烧银，保温15min。冷却取出后放入硅油中，在25℃条件下，用直流电场极化，得到ZnO掺杂锆钛酸钡钙压电陶瓷。...

【技术特征摘要】
1.一种ZnO掺杂锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷，其化学计量式为(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3-xmol％ZnO，其中x＝0.03～0.24；该ZnO掺杂锆钛酸钡钙无铅压电陶瓷的制备方法，具有如下步骤：(1)配料将原料CaCO3、BaCO3、TiO2和ZrO2，按(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.10Ti0.90)O3的化学计量比，以及外加0.03～0.24mol％的ZnO混合后放入球磨罐中；球磨介质为去离子水和氧化锆球，球：料：去离子水的重量比为2：1：0.6；再将混合料放入烘箱内于90℃烘干，然后放入研钵内研磨，过40目筛；(2)合成将步骤(1)中过筛后的粉料，放入坩埚内，压实，加盖，密封，在合成炉中于1150℃合成，保温4h，自然冷却到室温，出炉；(3)二次球磨将步骤(2)的合成料放入球磨罐中球磨粉碎，再将球磨后的料放入烘箱内于90℃烘干，然后放入研钵内研磨，过60目筛；(4)压片将步骤(3)过筛后的粉料，外加质量百分比为7wt.％的聚乙烯醇水溶液进行造粒，压柱均化，再将其捣碎，研磨过筛，压制成型为坯件；(5)排胶将步骤(4)的坯件放入马弗炉中，以5℃/min的速率升温至650℃，保温1h，并于200℃和350℃各保温1h，进行有机物排除；(6)烧结将步骤(5)排胶后的坯件放进坩埚中加入垫料进行埋烧，以5℃/min的升温速率升温至1350～1450℃烧结，保温4h，随炉自然冷却至室温，制得...

【专利技术属性】
技术研发人员：马卫兵，赵怀党，马民杰，郭靖栋，高骥风，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12