一种组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷及其制备方法。所述组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷包括PZT95/5铁电陶瓷基体和分布于所述PZT95/5铁电陶瓷基体中的、由位于PZT95/5晶粒内部的晶内微孔和位于PZT95/5晶粒之间的晶界气孔构成的组合孔结构；其中，组合孔结构的总孔隙率在20%以内，优选为5‑10%。晶界气孔的引入可以提高PZT95/5铁电陶瓷的抗冲击性能，晶内微孔的引入用于改善剩余极化强度等电学性能，将两种微孔结构进行组合后可以显著提升PZT95/5铁电陶瓷抗冲击和耐电压性能。

【技术实现步骤摘要】
一种组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷及其制备方法
本专利技术属于功能陶瓷领域，涉及一种铁电陶瓷材料及其制备方法，尤其涉及一种组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷及其制备方法。
技术介绍
高功率脉冲电源具有高电压、大电流、高功率、强脉冲的特点，在受控核聚变试验、强流粒子束加速器、高端医疗装备等近代科学和高
有着重要的科学意义与应用价值。铁电体高功率脉冲电源是在冲击波作用下，极化的铁电陶瓷在几微秒的时间内迅速发生相变去极化，从而输出兆瓦级功率能量的脉冲电源。铁电体高功率脉冲电源具有储能密度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰等突出优点。目前，Pb0.99(Zr0.95Ti0.05)0.98Nb0.02O3铁电陶瓷(简称PZT95/5铁电陶瓷)具有较高的剩余极化强度、较低的诱导相变压力，伴随着高储能密度、快放电速率和高能量输出能力，是铁电体高功率脉冲电源应用的理想材料。在服役条件下，PZT95/5铁电陶瓷受到高的冲击应力和高的电场共同作用，冲击破坏会导致功能失效。因此，如何有效地抑制铁电陶瓷的冲击破坏，减弱或延迟冲击诱导的功能失效是亟需解决的基础科学问题。在不改变材料组分的前提下，通过微结构调控可以显著改变材料性能。通过引入微孔洞(晶界气孔)已被证明是提高PZT95/5铁电陶瓷材料的“塑性”变形能力、延缓损伤破坏的有效途径。美国Sandia国家实验室报道了多孔PZT95/5铁电陶瓷具有优异的耐电击穿性能。进一步研究发现这种晶界孔隙率的增加可以改善铁电陶瓷的抗冲击性能，但是气孔率的增加会降低铁电材料的电学性能，如剩余极化强度和电阻率等。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种组合孔结构的PZT95/5铁电陶瓷及其制备方法，通过晶内微孔与晶界气孔的组合构筑，实现铁电陶瓷抗冲击性能和电学性能的协同优化，对于开发高可靠性的高功率脉冲电源具有非常重要的意义。第一方面，本专利技术提供一种组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷，包括PZT95/5铁电陶瓷基体和分布于所述PZT95/5铁电陶瓷基体中的、由位于PZT95/5晶粒内部的晶内微孔和位于PZT95/5晶粒之间的晶界气孔构成的组合孔结构。晶界气孔的引入可以提高PZT95/5铁电陶瓷的抗冲击性能，晶内微孔的引入用于改善剩余极化强度等电学性能，将两种微孔结构进行组合后可以显著提升PZT95/5铁电陶瓷抗冲击和耐电压性能。其中，组合孔结构的总孔隙率在20％以内，优选为5％-10％。作为电子功能陶瓷而言，更高的孔隙率会导致PZT95/5铁电陶瓷力学和电学性能的显著降低。较佳地，所述晶内微孔的尺寸为2μm以下，所述晶界气孔的尺寸为100μm以下。优选地，所述晶界气孔的尺寸为15μm-60μm。较佳地，组合孔结构中晶内微孔的孔隙率≤5％，晶界气孔的孔隙率≤15％。优选地，晶内微孔的孔隙率和晶界气孔的孔隙率的比例是1：2-1：5。将晶内微孔的孔隙率和晶界气孔的孔隙率的比例限定在上述范围内，利于PZT95/5铁电陶瓷抗冲击和耐电压性能的协同改善。较佳地，所述铁电陶瓷的室温剩余极化强度≥25μC/cm2，优选为30-38μC/cm2。第二方面，本专利技术还提供了上述任一项所述的组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷的制备方法，包括：将有机微球造孔剂、PZT95/5陶瓷粉体、晶界气孔调控剂和有机溶剂混合均匀以形成浆料；将浆料依次烘干、成型、排胶和烧结，得到所述组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷。较佳地，所述有机微球造孔剂占PZT95/5陶瓷粉体的质量比为0.5-2.5％；所述有机微球造孔剂的尺寸为5-120μm，优选为10-60μm。较佳地，所述晶界气孔调控剂为在烧结过程中可烧失的纳米碳化合物。优选地，所述晶界气孔调控剂占PZT95/5陶瓷粉体的质量比为5wt％以内，更优选为1-2％。一些实施方式中，所述晶界气孔调控剂包括但不限于碳纳米管和/或纳米尺寸的微晶纤维素。现有技术中通常使用尺寸5-120μm的大尺寸球状造孔剂以形成晶界气孔。本专利技术使用100nm以下的纳米碳化合物作为晶界气孔调控剂，辅助烧结工艺调控烧结动力学，进而控制固相扩散和晶粒成核长大，促进坯体中的气体来不及排出晶粒而形成晶内微孔。该烧结动力学并不适用于晶界气孔的调控，晶界气孔本质上是利用模板法借助造孔剂的烧失而形成，其形成依赖于模板的尺寸和形状，但是调控烧结动力学形成的晶界气孔的形状并不局限于纳米碳化合物的形状，这是本专利技术的特色之一所在。较佳地，组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷的平均晶粒尺寸范围是5-15μm。较佳地，所述碳纳米管为单壁或者多壁短碳纳米管，尺寸为0.5-5nm。根据有机溶剂的极性，可以选择合适的分散剂和分散设备实现有机微球造孔剂、晶界气孔调控剂以及PZT95/5铁电陶瓷粉体的均匀分散。较佳地，使用两次分散法，具体过程为：将有机微球造孔剂和晶界气孔调控剂分别分散于有机溶剂中，然后再与PZT95/5铁电陶瓷粉体湿法球磨均匀，获得浆料。较佳地，所述成型前在烘干后的浆料中添加3-10wt％的粘结剂；优选地，所述粘结剂为PVA、PVB和PS中的一种或几种。较佳地，所述排胶的工艺条件为：在空气或者氧气气氛中于600-800℃下保温不低于0.5小时，优选为0.5-5小时。较佳地，所述烧结的工艺条件为：在空气或氧气气氛下，在1300-1350℃烧结保温0.5-5小时，然后随炉冷却。附图说明图1是组合孔结构的PZT95/5铁电陶瓷显微形貌设计图；图2是实施例1组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷显微形貌；图3是实施例2组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷显微形貌；图4是实施例3组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷显微形貌；图5是实施例1-3中PZT95/5铁电陶瓷电滞回线；其中，10μm组合孔指的是实施例1，30μm组合孔指的是实施例2，60μm组合孔指的是实施例3；图6是实施例1-3中PZT95/5铁电陶瓷冲击波放电电流曲线。其中，10μm指的是实施例1，30μm指的是实施例2，60μm指的是实施例3。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术所要解决的第一问题是如何实现PZT95/5铁电陶瓷的抗冲击性能和电学性能协同优化。为解决该问题，经过特殊设计，形成如图1所示的组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷。该组合孔结构包含晶内微孔和晶界气孔。组合孔结构的总孔隙率在20％以内，优选为5％-10％。晶内微孔和晶界气孔随机分布。晶界气孔的引入可以提高PZT95/5铁电陶瓷的抗冲击性能，晶内微孔的引入可以提升PZT95/5铁电陶瓷电学性能，如剩余极化强度和电阻率等。该组合孔结构的PZT95/5铁电陶瓷兼具有抗冲击和耐电压的优点，可广泛应用于高脉冲功率
一些实施方式中，组合孔结构的PZT95/5铁电陶瓷的最大冲击压力高达5.0Gpa。本专利技术所要解决的第二问题在于提供一种组合孔结构的PZT95/5铁电陶瓷制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷，其特征在于，包括PZT95/5铁电陶瓷基体和分布于所述PZT95/5铁电陶瓷基体中的、由位于PZT95/5晶粒内部的晶内微孔和位于PZT95/5晶粒之间的晶界气孔构成的组合孔结构；其中，组合孔结构的总孔隙率在20%以内，优选为5-10%。/n

【技术特征摘要】
1.一种组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷，其特征在于，包括PZT95/5铁电陶瓷基体和分布于所述PZT95/5铁电陶瓷基体中的、由位于PZT95/5晶粒内部的晶内微孔和位于PZT95/5晶粒之间的晶界气孔构成的组合孔结构；其中，组合孔结构的总孔隙率在20%以内，优选为5-10%。


2.根据权利要求1所述的铁电陶瓷，其特征在于，所述晶内微孔的尺寸为2μm以下，所述晶界气孔的尺寸为100μm以下。


3.根据权利要求1或2所述的铁电陶瓷，其特征在于，组合孔结构中晶内微孔的孔隙率≤5%，晶界气孔的孔隙率≤15%；优选地，晶内微孔的孔隙率和晶界气孔的孔隙率的比例是1：2-1：5。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的铁电陶瓷，其特征在于，所述铁电陶瓷的室温剩余极化强度≥25μC/cm2，优选为30-38μC/cm2。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的铁电陶瓷，其特征在于，所述铁电陶瓷的抗冲击压力≥2.5GPa，优选为3.5-5.0GPa。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的组合孔结构PZT95/5铁电陶瓷的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂恒昌，董显林，王根水，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31