适合工业化生产的掺杂锑锰－锆钛酸铅基压电陶瓷材料，其特征在于材料的组成为Ｐｂ↓［１－ａ］Ｓｒ↓［ａ］（Ｍｎ↓［１／３］Ｓｂ↓［２／３］）↓［ｂ］Ｚｒ↓［ｃ］Ｔｉ↓［ｄ］Ｏ↓［３］＋Ｎｗｔ％Ｍ↓［ｘ］Ｏ↓［ｙ］，其中：０≤ａ≤０．１、０＜ｂ≤０．１、０．４≤ｃ≤０．５、０．４≤ｄ≤０．５、０．０１≤Ｎ≤１，ｂ＋ｃ＋ｄ＝１，Ｍ↓［ｘ］Ｏ↓［ｙ］为ＳｉＯ↓［２］、ＣｅＯ↓［２］、Ｃｒ↓［２］Ｏ↓［３］中的一种、两种或三种。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，属于压电陶瓷材料领域。
技术介绍
PZT陶瓷是目前使用最为广泛的商用电子材料之一。近年来，在大功率下使用的压电陶瓷驱动器、变压器、微位移器、马达以及各种超声换能器等方面的应用发展极为迅速，这就要求压电陶瓷材料在自由状态或张应力下能输出较大的功率，具有高的机电耦合系数Kp、机械品质因子Qm、压电常数d33以及低的介电损耗Tanδ，同时应具备高的机械强度和时间、温度稳定性。含铅PZT陶瓷的烧结温度通常为1200-1300℃，由于烧结温度过高时铅易挥发，导致偏离化学计量比，造成陶瓷性能难以控制；且铅的挥发造成环境污染，对人类的身体健康极为有害。近年来广泛使用的压电陶瓷多层器件(如压电微位移器，压电变压器等)，由于其烧结温度高，通常都使用铂、钯等贵金属作为内电极，大大提高了使用成本。因此，在不降低材料的压电性能(高Kp、Qm、ε33T)和机械强度的情况下，通过掺杂或改性来降低大功率压电陶瓷材料的烧结温度，对材料的制备及应用特别是多层共烧压电陶瓷器件的应用具有非常重要的意义。日本专利昭42-25276和42-66779介绍了不同配方组成的Pb(Mn1/3Sb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3陶瓷材料的压电性能，但其烧结温度都在1200-1300℃之间，这使它们在多层共烧压电陶瓷器件中的应用受到限制。郭晓波、孟中岩等(硅酸盐学报2002 30(1)125-127)研究了Pb1-xSrx(Mn1/3Sb2/3)aZrbTicO3材料的压电性能，这种材料在1200℃烧结时压电性能最佳，但是当温度在低于此温度时，Kp、Qm、ε33T等都有大幅度下降，其中Qm值在1150℃烧成时只有850。该材料能满足性能要求的烧结温度范围过窄且不稳定，明显不适用于工业化生产的应用。此外，由于其烧结温度相对较高，需使用Pd很高甚至100％的贵金属内电极。中国专利85100051报道了在PZT二元系中添加B-Bi-Cd低熔玻璃料，研制出在960-1000℃下低温烧结、并具有良好压电性能的材料。中国专利86108741报道了铌镍锆钛酸铅压电材料添加SiO2、MnO2以及过量的PbO，烧结温度可以降至840-1000℃，且具有优良的压电性能。以上两个中国专利报道了在不降低压电性能的前提下，可降低陶瓷材料的烧结温度，但是这些材料的机械品质因子只有800-1000，并且未阐明降低陶瓷烧结温度对陶瓷机械强度的影响。对于大功率压电陶瓷材料而言，其在谐振工作状态时振幅较大，必须具有高的机械强度。因此，如何在降低陶瓷材料烧结温度的同时，兼顾材料的压电性能、机械和电学损耗以及机械强度，就成为急待解决的一大难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有中低温(1100-1200℃)烧结特性的压电陶瓷材料，这种材料具有较高的压电常数d33、机电耦合系数Kp、机械品质因子Qm、介电常数ε33T，以及机械强度，能够在大功率压电陶瓷器件以及以Ag/Pd作为内电极的压电多层共烧陶瓷器件中使用。具体地说，本专利技术提供的中低温烧结压电陶瓷组成为Pb1-aSra(Mn1/3Sb2/3)bZrcTidO3+N wt％MxOy，其中0≤a≤0.1、0＜b≤0.1、0.4≤c≤0.5、0.4≤d≤0.5、0.01≤N≤1、b+c+d＝1。该掺杂氧化物MxOy为SiO2、CeO2、Cr2O3中的一种、两种或三种，掺杂后的材料仍然保持四方相钙钛矿结构。本专利技术的制备工艺是以化学纯Pb3O4、SrCO3、MnCO3、Sb2O3、ZrO2、TiO2、SiO2、Cr2O3、CeO2为原料，按照化学计量配比准确称量，混合后球磨、干燥，850-900℃预合成1-2h。粉碎后细磨，粉料的细度在0.5-1μm。烘干后加入5-10％PVA作为粘结剂、造粒，在1-2T/cm2的压力下干压成型为φ12×1mm的圆片和36×4×3mm的长条。排塑温度为800-850℃，保温1-2h。烧结温度为1100-1200℃，保温1-2h。圆片加工至0.5mm，清洗后双面镀上银电极，在130℃的硅油中极化20-30min，极化电场为2.5-3.5KV/mm。极化样品放置24h后测试各项性能。长条用来做抗弯强度测试。这种压电陶瓷材料的特点为 1.材料能在较低的温度(1100-1200℃)下烧结致密，可以使用70Ag/30Pd甚至更低Pd比例作为内电极，大大降低了成本；且在该温度范围内烧结制备的材料性能稳定，能克服温度偏差对材料性能的影响，非常适合工业化生产的需要。2.材料具有良好的压电性能d33＝300-400 PC/N、Kp＝0.5-0.6、Qm＝1500-1800、ε33T＝1100-1400，Tanδ≤0.5％；3.材料的机械性能满足实际使用的需要抗弯强度在70-110MPa。4.适用于较宽的烧结温度范围，在1100-1200℃下烧结后性能指标差异较小，能满足工业化生产的实际需要。附图说明图1是本专利技术提出的压电陶瓷材料典型的XRD图谱，从图中可以看出，掺杂后的材料仍然保持四方相钙钛矿结构。具体实施例方式下面通过实施例来进一步阐述本专利技术的特点，但本专利技术的内容并非局限于此。实施例1以Pb3O4、SrCO3、MnCO3、Sb2O3、ZrO2、TiO2、SiO2、CeO2、(化学纯)为原料，按Pb0.95Sr0.05(Mn1/3Sb2/3)0.03Zr0.50Ti0.47O3+0.2wt％SiO2+0.5wt％CeO2的化学计量称量，采用一般的陶瓷制备工艺进行配料，球磨、混合、烘干后预合成(850℃/2h)，细磨10h、干燥、加粘结剂、成型(成型压力2T/cm2)、排塑(850℃/1h)，烧结(1100-1200℃/2h)。形成如上配方的四方相钙钛矿结构的压电陶瓷材料。表1为实施例1在不同温度下(1100-1200℃)的压电性能。表1 实施例2按配方Pb0.97Sr0.03(Mn1/3Sb2/3)0.05Zr0.48Ti0.47O3+0.2wt％SiO2+0.6wt％CeO2+0.5wt％Cr2O3准确配比，制备工艺同实施例1，烧结温度为1140℃，其压电性能为ε33T＝1356、Kp＝0.576、Qm＝1750、d33＝341PC/N、tanδ＝0.7％。实施例3按配方Pb0.99Sr0.01(Mn1/3Sb2/3)0.08Zr0.46Ti0.46O3+0.8wt％SiO2+0.5wt％CeO2+0.6wt％Cr2O3准确配比，制备工艺同实施例1，烧结温度为1140℃，其压电性能为ε33T＝1324、Kp＝0.568、Qm＝1678、d33＝352PC/N、tanδ＝0.4％。表2为实施例1-3的压电性能与机械性能的比较。表2 (烧结温度为1140℃，保温2h)从表1、表2中可以看出，材料在相当宽的烧成温度内(1100-1200℃)都能烧结，且具有较好的压电和机械性能。说明本材料能够适应在大功率压电陶瓷器件以及压电多层共烧陶瓷器件中使用，且非常适合于工业生产。本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.适合工业化生产的掺杂锑锰-锆钛酸铅基压电陶瓷材料，其特征在于材料的组成为Pb1-aSra(Mn1/3Sb2/3)bZrcTidO3+Nwt％MxOy，其中0≤a≤0.1、0＜b≤0.1、0.4≤c≤0.5、0.4≤d≤0.5、0.01≤N≤1，b+c+d＝1，MxOy为SiO2、CeO2、Cr2O3中的一种、两种或三种。2.按权利要求1所述的适合工业化生产的掺杂锑锰-锆钛酸铅基压电陶瓷材料的制备方法，包括配料、混合、预合成、成型、烧结，其特征在于(1)按Pb1-aSra(Mn1/3Sb2/3)bZrcTidO3+Nwt％MxOy配比原料，其中0≤a≤0.1、0＜b≤...
【专利技术属性】
技术研发人员：李国荣，朱志刚，殷庆瑞，郑嘹赢，
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：
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