掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法。该压电陶瓷以下列化学式I表示：xPb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPb(Ni1/3Nb2/3)O3‑(1‑x‑y)Pb(Ti1/2Zr1/2)O3+lSrCO3+mZnO+nQ，其中，Q为Li2CO3,CuO,SiO2,MnO2,Bi2O3,La2O3中的至少一种，其中，l,m,n分别为SrCO3,ZnO,Q所占化合物Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑Pb(Ni1/3Nb2/3)O3‑Pb(Ti1/2Zr1/2)O3的质量百分比，其中，0.01≤x≤0.07，0.08≤y≤0.38，0＜l≤0.5，0＜m≤0.5，0≤n≤0.5。该掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷具有烧结温度低、机电耦合系数高、压电应变系数高、介电损耗小等优异性能。

Doping modified lead zirconate titanate piezoelectric ceramics and preparation method thereof

The invention discloses a doped modified lead zirconate titanate piezoelectric ceramic and a preparation method thereof. XPb (Mg1/3Nb2/3) O3 yPb (Mg1/3Nb2/3) yPb (Ni1/3Nb2/3) O3 Pb (Ti1/2Zr1/2 x y) Pb (Ti1/2Zr1/2) O3+lSrCO3+mZnO+nQ. The mass percentage of which is less than 0.01 X or less than 0.07, 0.08 or less than y 0.38, 0 < l < 0.5, 0 < m = 0.5, 0 less than n or 0.5. The doped lead zirconate titanate piezoceramic has excellent properties such as low sintering temperature, high electromechanical coupling coefficient, high piezoelectric strain coefficient and low dielectric loss.

【技术实现步骤摘要】
掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及压电陶瓷
，更具体地，涉及一种掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法。
技术介绍
压电陶瓷材料由于具有正、逆压电性能，可实现机械能和电能的相互转换，因此作为一种重要的功能材料被广泛应用在压电谐振器、压电蜂鸣器、压电滤波器、压电变压器、压电扬声器、压电点火器和压电马达等高新
压电陶瓷材料包括以钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(PZT)为基础的一元系和以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系，以及多元系压电陶瓷材料。BaTiO3陶瓷材料具有在室温条件下，由晶体的第二相变而产生恶劣温度系数的致命缺点。另外其居里温度低，老化过快。因而压电常数是BaTiO3的两倍，且各方面性能比BaTiO3好得多的锆钛酸铅压电陶瓷受到人们的关注。传统的四元系锆钛酸铅(PMN-PNN-PZT)压电陶瓷的烧结温度较高，一般都在1200-1300℃左右。PbO的熔点很低,在高温烧结时，不可避免的造成PbO挥发。PbO的挥发不仅导致压电陶瓷的化学计量比偏离原先设计的配方，使其性能下降，同时也会对环境造成危害，损害人体健康，另一方面烧结温度高也会造成成本增加。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法的新技术方案。根据本专利技术的第一方面，提供了一种掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷。该压电陶瓷以下列化学式I表示：xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPb(Ni1/3Nb2/3)O3-(1-x-y)Pb(Ti1/2Zr1/2)O3+lSrCO3+mZnO+nQ，其中，Q为Li2CO3,CuO,SiO2,MnO2,Bi2O3,La2O3中的至少一种，其中，l,m,n分别为SrCO3,ZnO,Q所占化合物Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Ti1/2Zr1/2)O3的质量百分比，其中，0.01≤x≤0.07，0.08≤y≤0.38，0＜l≤0.5，0＜m≤0.5，0≤n≤0.5。可选地，Q为Li2CO3。根据本专利技术的第二方面，提供了一种掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法。该制备方法包括以下步骤：配料：以Pb3O4、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Mg(OH)2·4MgCO3·6H2O、Ni(CH3COO)2·4H2O、ZnO、SrCO3和Q为原料，各种原料根据化学式xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPb(Ni1/3Nb2/3)O3-(1-x-y)Pb(Ti1/2Zr1/2)O3+lSrCO3+mZnO+nQ中的x、y、l、m、n的设定值进行称量配料，其中，Q为Li2CO3,CuO,SiO2,MnO2,Bi2O3,La2O3中的至少一种，其中，l,m,n分别为SrCO3,ZnO,Q所占化合物Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Ti1/2Zr1/2)O3的质量百分比，其中，0.01≤x≤0.07，0.08≤y≤0.38，0＜l≤0.5，0＜m≤0.5，0≤n≤0.5；制备：将Pb3O4、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Mg(OH)2·4MgCO3·6H2O、Ni(CH3COO)2·4H2O、ZnO、SrCO3和Q的混合物进行预烧，以得到预烧粉料，加入造粒剂进行造粒，并制备成设定形状的粗坯，将所述粗坯进行排胶处理，将排胶处理后的所述粗坯进行烧结，以得到陶瓷元件；极化：将陶瓷元件进行极化，以得到掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷。可选地，所述将Pb3O4、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Mg(OH)2·4MgCO3·6H2O、Ni(CH3COO)2·4H2O、ZnO、SrCO3和Q的混合物进行预烧，以得到预烧粉料的步骤包括：向Pb3O4、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Mg(OH)2·4MgCO3·6H2O、Ni(CH3COO)2·4H2O、ZnO、SrCO3和Q的混合物中加入去离子水或者无水乙醇，并进行一次混磨；将一次混磨后的混合物进行烘干；将烘干后的混合物进行预烧，以得到预烧粉料。可选地，预烧温度为600-800℃，预烧时间为1-4h。可选地，在预烧之后以及造粒之前还包括向所述预烧粉料中加入去离子水，并进行二次混磨，将二次混磨后的预烧粉料进行烘干，以得到烘干粉料。可选地，所述造粒剂为聚乙烯醇的水溶液，所述聚乙烯醇的水溶液的质量浓度为5％-10％。可选地，所述排胶处理的温度为500-650℃，排胶处理的时间为1-3小时。可选地，烧结温度为800-950℃，烧结时间为2-5小时。可选地，所述极化步骤包括：在所述陶瓷元件上被银，并经500-800℃烧银5-10分钟，以镀上电极；将镀上电极的所述陶瓷元件放入硅油或者在空气环境中，施加1-3kV/mm的直流电，以进行极化，极化时间为5-20分钟。根据本公开的一个实施例，该掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷具有烧结温度低、机电耦合系数高、压电应变系数高、介电损耗小等优异性能。根据本公开的另一个实施例，在四元系(PMN-PNN-PZT)压电陶瓷的基础上，通过添加ZnO，以实现对B位的Zr离子和Ti离子的掺杂改性，产生O2-缺位，起到“钉扎效应”，阻碍极化翻转，引入空间电荷，从而导致压电陶瓷的机械品质因数大幅提高。此外，通过添加ZnO，在较低温度下(例如，达到860℃)，ZnO和PbO存在很丰富的液相区，在烧结过程中形成少量液相，从而降低烧结温度，减少晶粒间隙，并使得压电陶瓷的致密性提高。此外，通过添加SrCO3，以实现对A位的Pb离子的掺杂改性，引起晶格畸变，加速离子扩散进程，在烧结时起到助熔作用，降低压电陶瓷的烧结温度，提高压电陶瓷的致密度，增大压电陶瓷的介电和压电系数。此外，通过添加低熔点的Li2CO3，也能在低温时形成液相，起到助熔降低烧结温度的作用，同时Li离子半径小，容易进入主晶相起到掺杂改性的作用。通过以下参照附图对本专利技术的示例性实施例的详细描述，本专利技术的其它特征及其优点将会变得清楚。附图说明被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本专利技术的实施例，并且连同其说明一起用于解释本专利技术的原理。图1是根据本专利技术的一个实施例的掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法的流程图。具体实施方式现在将参照附图来详细描述本专利技术的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本专利技术的范围。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。根据本专利技术的一个实施例，提供了一种掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷。该掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷以下列化学式I表示：xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPb(Ni1/3Nb2/3)O3-(1-x-y)Pb(Ti1/2Zr1/2)O3+lSrCO3+mZnO+nQ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷，以下列化学式I表示：xPb(Mg1/3Nb2/3)O3‑yPb(Ni1/3Nb2/3)O3‑(1‑x‑y)Pb(Ti1/2Zr1/2)O3+lSrCO3+mZnO+nQ，其中，Q为Li2CO3,CuO,SiO2,MnO2,Bi2O3,La2O3中的至少一种，其中，l,m,n分别为SrCO3,ZnO,Q所占化合物Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‑Pb(Ni1/3Nb2/3)O3‑Pb(Ti1/2Zr1/2)O3的质量百分比，其中，0.01≤x≤0.07，0.08≤y≤0.38，0＜l≤0.5，0＜m≤0.5，0≤n≤0.5。

【技术特征摘要】
1.一种掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷，以下列化学式I表示：xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPb(Ni1/3Nb2/3)O3-(1-x-y)Pb(Ti1/2Zr1/2)O3+lSrCO3+mZnO+nQ，其中，Q为Li2CO3,CuO,SiO2,MnO2,Bi2O3,La2O3中的至少一种，其中，l,m,n分别为SrCO3,ZnO,Q所占化合物Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Ti1/2Zr1/2)O3的质量百分比，其中，0.01≤x≤0.07，0.08≤y≤0.38，0＜l≤0.5，0＜m≤0.5，0≤n≤0.5。2.根据权利要求1所述的掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷，其中，Q为Li2CO3。3.一种掺杂改性锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，其中，包括以下步骤：配料：以Pb3O4、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Mg(OH)2·4MgCO3·6H2O、Ni(CH3COO)2·4H2O、ZnO、SrCO3和Q为原料，各种原料根据化学式xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPb(Ni1/3Nb2/3)O3-(1-x-y)Pb(Ti1/2Zr1/2)O3+lSrCO3+mZnO+nQ中的x、y、l、m、n的设定值进行称量配料，其中，Q为Li2CO3,CuO,SiO2,MnO2,Bi2O3,La2O3中的至少一种，其中，l,m,n分别为SrCO3,ZnO,Q所占化合物Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(Ti1/2Zr1/2)O3的质量百分比，其中，0.01≤x≤0.07，0.08≤y≤0.38，0＜l≤0.5，0＜m≤0.5，0≤n≤0.5；制备：将Pb3O4、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Mg(OH)2·4MgCO3·6H2O、Ni(CH3COO)2·4H2...

【专利技术属性】
技术研发人员：高洪伟，张子会，俞胜平，张法亮，
申请(专利权)人：歌尔股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37