一种铌酸锰掺杂铌镱酸铅-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铌酸锰掺杂铌镱酸铅

【技术实现步骤摘要】
一种铌酸锰掺杂铌镱酸铅
‑
锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法


[0001]本专利技术属于压电陶瓷制备
，尤其涉及一种铌酸锰掺杂铌镱酸铅
‑
锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法。

技术介绍

[0002]压电材料是一种重要的功能材料，其能直接实现机械能和电能之间的互相转换，被广泛应用于传感器、制动器和超声换能器等领域，其在汽车电子、信息通讯、航空航天等多个领域亦发挥重要作用。在压电材料中，PZT基压电陶瓷因其制备简单、生产周期短、生产成本低和易于重复等优势得到了广泛的研究与应用，并在半个世纪内几乎垄断了压电陶瓷市场。
[0003]大功率器件包括大功率超声焊接机、超声探伤仪、博尔特轴向力计等，要求高机械品质因数(1200以上)和高居里温度(250℃以上)。目前大功率器件使用的压电陶瓷仍主要以经典商用PZT
‑
4和PZT
‑
8为主。然而，PZT
‑
4和PZT
‑
8压电陶瓷虽然具有较好机电性能、高稳定性和低制造成本等优点，但随着工业的发展，大功率器件的工作环境日趋复杂，传统的PZT
‑
4和PZT
‑
8逐渐难以满足大功率器件对材料的性能需求。因此，研发综合性能优异的压电陶瓷迫在眉睫。
[0004]大功率器件的核心部件压电换能器，在工作过程中频繁发生机电转换，不可避免地产生废热，引起器件局部温度升高，严重情况下可能造成器件失效。工程师一般使用两种方法，来降低器件工作过程中产生的废热对器件的影响，即设计更科学合理的散热结构，选用更加合适的大功率压电材料。存在经验公式：
[0005]H
DVE
＝M V
02
w0/2Q
m
[0006]H
DVE
即热量生成率，来描述超声换能器工作中压电振子每秒产生的热量。式中M代表压电振子的质量，V0代表压电振子的振动速率，Q
m
为压电振子的机械品质因数，w0为压电振子的谐振频率。由公式可知，机械品质因数越大，超声换能器工作过程中的热损耗越小。研制具有良好温度稳定性和高机械品质因数的压电陶瓷对大功率器件的设计与研发具有重要意义。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种铌酸锰掺杂铌镱酸铅
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锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法。本专利技术通过铌酸锰掺杂及工艺优化，得到一种兼具高居里温度、良好温度稳定性和良好机电性能的大功率压电陶瓷。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种铌酸锰掺杂铌镱酸铅
‑
锆钛酸铅压电陶瓷，所述铌酸锰掺杂铌镱酸铅
‑
锆钛酸铅压电陶瓷的化学式为：xwt.％MnNbO4‑
yPb(Yb
0.5
Nb
0.5
)O3‑
zPbZrO3‑
(1
‑
y
‑
z)PbTiO3，其中，1.4≤x≤1.8，0.1≤y≤0.14，0.37≤z≤0.42。
[0010]一种所述铌酸锰掺杂铌镱酸铅
‑
锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
[0011](1)将YbNbO4前驱体、MnNbO4前驱体、TiO2、ZrO2和PbO，按照xwt.％MnNbO4‑
yPb(Yb
0.5
Nb
0.5
)O3‑
zPbZrO3‑
(1
‑
y
‑
z)PbTiO3，1.4≤x≤1.8，0.1≤y≤0.14，0.37≤z≤0.42的化学计量进行配料后，球磨均匀，得到混合料，干燥后，研磨，得到研磨料；
[0012](2)将研磨料预烧，得到纯钙钛矿相的预烧粉料，然后进行二次球磨和干燥得到干燥粉末；
[0013](3)将干燥粉末造粒、过筛、压制成坯片，将坯片排胶处理后烧结，得到铌酸锰掺杂铌镱酸铅
‑
锆钛酸铅压电陶瓷，即，MnN
‑
PYN
‑
PZT压电陶瓷。
[0014]进一步地，所述MnN
‑
PYN
‑
PZT压电陶瓷的压电系数为180～230pC/N，机械品质因数为1057～1973，居里温度为350～400℃，平面机电耦合系数k
p
为0.5～0.6，室温下相对介电常数为800～1500，剩余极化强度为15～22μC/cm2，矫顽场为17～19kV/cm。
[0015]进一步地，所述MnN
‑
PYN
‑
PZT压电陶瓷在20℃到80℃，谐振频率f
r
的温度系数为
‑
223～
‑
116ppm/℃，机电耦合系数k
p
的温度系数47～299ppm/℃。
[0016]进一步地，步骤(1)中，所述YbNbO4前驱体的制备方法为：按照YbNbO4的化学式，以摩尔比为1：1，称量原料Yb2O3和Nb2O5，将Yb2O3和Nb2O5混合后，球磨，之后干燥处理，得到干燥原料粉末，研磨后煅烧，得到YbNbO4前驱体。前驱体的制备可以防止烧结过程中焦绿石相的出现，焦绿石相会恶化材料的性能。
[0017]进一步地，所述Yb2O3和Nb2O5的摩尔比为1：1；所述球磨为湿法球磨即使用无水乙醇作为球磨介质，无水乙醇与原料的体积比大约为4：1；所述球磨的速度为200～300r/min，时间为8～12h；所述干燥的温度80～100℃，时间为3～4h，所述研磨即手工研磨，使用研钵，研磨干燥后的粉料，时间约为20～40min；所述煅烧的温度为1200℃～1250℃，时间为2～4h。
[0018]进一步地，步骤(1)中，所述MnNbO4前驱体的制备方法为：将MnO2和Nb2O5混合后，球磨，干燥处理，得到干燥粉末，研磨后煅烧得到MnNbO4前驱体。
[0019]进一步地，步骤(1)中，所述球磨采用卧式球磨机。
[0020]进一步地，所述MnO2和Nb2O5的摩尔比为1：1；所述球磨为湿法球磨，即使用无水乙醇作为球磨介质，无水乙醇与原料的体积比大约为4：1；所述球磨的速度为200～300r/min，时间为8～12h；所述干燥的温度为80～100℃，时间为3～4h，所述研磨即手工使用研钵，研磨干燥后的粉料，时间约为20～40min；所述煅烧的温度为1100℃～1200℃，时间为2～6h。
[0021]进一步地，步骤(1)中，所述球磨的转速为200～300r/min，时间为8～12h；所述干燥的温度为80～100℃，时间为3～4h。
[0022]进一步地，步骤(2)中，所述预烧的温度为850～900℃，时间为2～2.5h；所述二次球磨是采用湿法球磨即使用无水乙醇作为球磨介质，无水乙醇与原料的体积比大约为4：1，球磨的时间为8～12h；所述干燥的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铌酸锰掺杂铌镱酸铅
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锆钛酸铅压电陶瓷，其特征在于，所述铌酸锰掺杂铌镱酸铅
‑
锆钛酸铅压电陶瓷的化学式为：xwt.％MnNbO4‑
yPb(Yb
0.5
Nb
0.5
)O3‑
zPbZrO3‑
(1
‑
y
‑
z)PbTiO3，其中，1.4≤x≤1.8，0.1≤y≤0.14，0.37≤z≤0.42。2.一种权利要求1所述铌酸锰掺杂铌镱酸铅
‑
锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)将YbNbO4前驱体、MnNbO4前驱体、TiO2、ZrO2和PbO，按照xwt.％MnNbO4‑
yPb(Yb
0.5
Nb
0.5
)O3‑
zPbZrO3‑
(1
‑
y
‑
z)PbTiO3，1.4≤x≤1.8，0.1≤y≤0.14，0.37≤z≤0.42的化学计量进行配料后，球磨均匀，得到混合料，干燥后，研磨，得到研磨料；(2)将研磨料预烧，得到纯钙钛矿相的预烧粉料，然后进行二次球磨和干燥得到干燥粉末；(3)将干燥粉末造粒、过筛、压制成坯片，将坯片排胶处理后烧结，得到铌酸锰掺杂铌镱酸铅
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锆钛酸铅压电陶瓷。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述YbNbO4前驱体的制备方法为：按照YbNbO4的化学式，称量原料Yb2O3和Nb2O5，将Yb2O3和Nb2O5混合后，球磨，再干燥处理，研磨、煅烧，得到YbNbO4前驱体。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪尧进，丁冠中，张骥，李玲，王书豪，李响，王佳佳，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：