一种锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，含以下步骤：(1)以钛酸四正丁酯和氧氯化锆为主要原料，制备获得悬浮有锆钛氢氧化物共沉淀的水溶液，取配制好的硝酸铅水溶液和矿化剂，混匀，进行磁力搅拌；(2)将搅拌后的混合溶液进行水热处理，反应结束后降至室温，取出反应物，清洗并烘干，得到固体粉末；(3)将固体粉末进行研磨后，加入粘合剂，制成陶瓷坯片，并进行烧结，将烧结后的陶瓷坯片上银电极极化后，即制备得具有高压电性能锆钛酸铅陶瓷。该方法工艺简单，锆钛酸铅压电陶瓷粉体粒度均一、分散性好，烧结活性高，其综合压电介电性能明显优于传统固相烧结法烧结的PZT陶瓷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种压电陶瓷的制备方法，具体涉及。
技术介绍
锆钛酸铅(PZT)材料是一种用途广泛的压电功能材料，其具有良好的压电、介电、铁电性能，及易掺杂改性、稳定性好等诸多优点，尤其在准同相界点附近，PZT陶瓷具有较高的压电常数和机电耦合系数，是制备超声换能器、压电变压器、滤波器和压电蜂鸣器等器件的基础材料,在电子材料、机械制造业具有很重要的地位。 制备高纯、粒度均一、结晶性好、化学计量比合适的锆钛酸铅粉体是获得高质量压电器件最重要的前提。目前，制备PZT粉体的方法较多，但不论是传统的高温固相合成法，化学共沉淀法，还是近来研究较多的溶胶-凝胶法，所得的压电陶瓷粉体都需要高温晶化，这就会使铅元素在高温下挥发，从而使化学组成难以精确控制，颗粒大小不匀，表面活性差，从而最终影响材料的压电性能。近二十年来发展的液相水热法可在较低温度下直接合成结晶性良好的超微粉体，使得粉体的化学配比能够精确控制，且具有无需预烧、结晶性好、烧结活性高等特点，在制备超细粉体中得到了广泛的研究与应用。有关水热法制备压电粉体的专利已有报道，但利用择优选取水热条件合成的粉体来显著提升陶瓷材料压电性能，制备高性能压电陶瓷的国内专利还未见报道。通常来说，对于锆钛酸铅(PZT)陶瓷，以结构式为PbZra52Tia48O3的锆钛酸铅(PZT)陶瓷压电性能较好，即当该锆钛酸铅(PZT)中锆钛离子的摩尔比为0. 52:0. 48时，制备获得的锆钛酸铅(PZT)的压电性能相对较好。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，该方法工艺简单，采用本专利技术方法制备获得的锆钛酸铅压电陶瓷粉体粒度均一、分散性好，烧结活性高，其综合压电介电性能明显优于传统固相烧结法烧结的PZT陶瓷。本专利技术的上述目的是通过如下技术方案来实现的，含以下步骤(I)以钛酸四正丁酯和氧氯化锆为主要原料，制备获得悬浮有锆钛氢氧化物共沉淀的水溶液，并取配制好的硝酸铅水溶液和矿化剂，将三者混匀，调整混合溶液中矿化剂与金属离子Pb、Zr和Ti的摩尔比为2. 5^20:1.02^1. 1:0. 52:0. 48，进行磁力搅拌；(2)将搅拌后的混合溶液在16(T250°C的条件下保温6 24h进行水热处理，反应结束后降至室温，取出反应物，清洗并烘干，得到固体粉末；(3)将固体粉末进行研磨后，加入粘合剂，置于模具中压制成陶瓷坯片，并进行烧结，将烧结后的陶瓷坯片上银电极极化后，即制备得具有高压电性能锆钛酸铅陶瓷。本专利技术步骤(I)中所述的悬浮有锆钛氢氧化物共沉淀的水溶液通过如下方法制备获得取钛酸四正丁酯溶于无水乙醇中配制成钛酸四丁酯无水乙醇溶液，取氧氯化锆溶于去离子水中配制成氧氯化锆水溶液，在搅拌状态下，按照钛酸四丁酯无水乙醇溶液中金属离子Ti和氧氯化锆水溶液中金属离子Zr的摩尔比为0. 48:0. 52，将钛酸四丁酯无水乙醇溶液加入到氧氯化锆水溶液中，得到锆钛离子的混合溶液，在搅拌状态下将锆钛离子的混合溶液滴加到氨水溶液中，经沉降、过滤，用去离子水清洗，得到锆钛氢氧化物共沉淀，将锆钛氢氧化物共沉淀分散于去离子水中，得到悬浮有锆钛氢氧化物共沉淀的水溶液。本专利技术步骤(I)中所述的矿化剂为氢氧化钾水溶液。作为本专利技术的一种改进本专利技术步骤(I)中调整混合溶液中矿化剂与金属离子Pb、Zr和Ti的摩尔比为4. 5^10:1.02^1. 1:0. 52:0. 48时，制备获得的压电陶瓷的性能更好。作为本专利技术的更进一步改进本专利技术步骤⑵中将搅拌后的混合溶液在175 185°C的条件下保温10 14h进行水热处理时，制备获得的压电陶瓷的性能更好。本专利技术步骤(2)中清洗先采用去离子水和无水乙醇清洗，再采用去离子水过滤清洗，在6(T80°C烘干，得到固体粉末。本专利技术步骤(3)中采用的粘合剂为重量百分含量为6%聚乙烯醇PVA水溶液，其用量占固体粉末总重量的2 10%。本专利技术步骤(3)中陶瓷坯片在烧结前先进行排出有机物处理，排出有机物处理的过程是将压制成的陶瓷坯片按4(T80°C /小时的升温速率升温至45(T800°C以排出有机物，然后降至室温。本专利技术步骤⑶中的烧结过程为按照150 200°C /h的梯度升温的速率升温至1260°C，并保温0. 5^1. 5小时进行烧结后，降温至室温。本专利技术步骤(3)中将烧结后的陶瓷坯片上银电极后，在8(T15(TC的硅油中按样品每毫米厚度加Hkv电压的直流电场极化15min，即制备得具有高压电性能的锆钛酸铅陶瓷。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点(I)本专利技术通过精确选择合适的水热条件如矿化剂浓度和反应温度，从而可以控制陶瓷粉体晶体微观形貌如图I中的XRD图谱和图2a-图3e中的SEM图片所示；(2)采用本专利技术方法还可以大幅提升所制备的锆钛酸铅陶瓷的粉体烧结活性，从而使所烧制的压电陶瓷综合性能要远高于采用传统方法烧制的陶瓷性能；(3)本专利技术所制备的锆钛酸铅陶瓷粉体无需预烧合成，成本低廉，易于工业化生产。附图说明图I是本专利技术具体实施例1-5中合成的锆钛酸铅陶瓷粉体的XRD图谱；图2a是本专利技术具体实施例I中合成的锆钛酸铅陶瓷粉体放大5000倍的SEM照片;图2b是本专利技术具体实施例2中合成的锆钛酸铅陶瓷粉体放大5000倍的SEM照片;图2c是本专利技术具体实施例3中合成的锆钛酸铅陶瓷粉体放大5000倍的SEM照、片;图2d是本专利技术具体实施例4中合成的锆钛酸铅陶瓷粉体放大5000倍的SEM照片;图2e是本专利技术具体实施例5中合成的锆钛酸铅陶瓷粉体放大5000倍的SEM照片;图3a是本专利技术具体实施例I中合成的锆钛酸铅陶瓷粉体所烧结的陶瓷样品的SEM照片；图3b是本专利技术具体实施例2中合成的锆钛酸铅陶瓷粉体所烧结的陶瓷样品的SEM照片；·图3c是本专利技术具体实施例3中合成的锆钛酸铅陶瓷粉体所烧结的陶瓷样品的SEM照片；图3d是本专利技术具体实施例4中合成的锆钛酸铅陶瓷粉体所烧结的陶瓷样品的SEM照片；图3e是本专利技术具体实施例5中合成的锆钛酸铅陶瓷粉体所烧结的陶瓷样品的SEM照片。具体实施例方式以下各实施例中所采用的试剂，如无特殊说明，均为市售。实施例I按以下工艺步骤合成PZT陶瓷粉体并烧制陶瓷(I)按欲合成PZT粉体的化学式PbZra52Tia48O3，计量称取钛酸四正丁酯和氧氯化锆，分别溶于无水乙醇和去离子水中，配置浓度为0. 48mol/L的钛酸四丁酯无水乙醇溶液和浓度为0. 52mol/L的氧氯化锆水溶液；(2)在搅拌状态下，将等体积的氧氯化锆水溶液加入到钛酸四丁酯无水乙醇溶液中，得到锆钛离子的混合溶液；(3)在搅拌状态下将锆钛离子的混合溶液滴加到浓度为0. 25mol/L的过量的氨水溶液中，沉降，过滤，用去离子水清洗，得到锆钛氢氧化物共沉淀；(4)将锆钛氢氧化物共沉淀分散于去离子水中，得到悬浮锆钛氢氧化物共沉淀的水溶液；(5)按欲合成锆钛酸铅粉体的化学式称取过量10%的硝酸铅，溶于去离子水，配置成浓度为2mol/L硝酸铅水溶液；(6)将悬浮有锆钛氢氧化物共沉淀的水溶液,硝酸铅水溶液,氢氧化钾水溶液，用去离子水调节反应内胆中的反应物料达到反应釜内胆容积的大约3/4，并调整最终各个金属离子Pb、Zr、Ti浓度分别为0. 22,0. 104,0. 096mol/L，矿化剂氢氧化钾的浓度为I. Omol/L，磁力搅拌3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，其特征是含以下步骤 (1)以钛酸四正丁酯和氧氯化锆为主要原料，制备获得悬浮有锆钛氢氧化物共沉淀的水溶液，并取配制好的硝酸铅水溶液和矿化剂，将三者混匀，调整混合溶液中矿化剂与金属离子Pb、Zr和Ti的摩尔比为2. 5 20:1. 02 I. 1:0. 52:0. 48，进行磁力搅拌； (2)将搅拌后的混合溶液在16(T250°C的条件下保温6 24h进行水热处理，反应结束后降至室温，取出反应物，清洗并烘干，得到固体粉末； (3)将固体粉末进行研磨后，加入粘合剂，置于模具中压制成陶瓷坯片，并进行烧结，将烧结后的陶瓷坯片上银电极极化后，即制备得具有高压电性能锆钛酸铅陶瓷。2.根据权利要求I所述的锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，其特征是步骤(I)中所述的悬浮有锆钛氢氧化物共沉淀的水溶液通过如下方法制备获得取钛酸四正丁酯溶于无水乙醇中配制成钛酸四丁酯无水乙醇溶液，取氧氯化锆溶于去离子水中配制成氧氯化锆水溶液，在搅拌状态下，按照钛酸四丁酯无水乙醇溶液中金属离子Ti和氧氯化锆水溶液中金属离子Zr的摩尔比为0. 48:0. 52，将钛酸四丁酯无水乙醇溶液加入到氧氯化锆水溶液中，得到锆钛离子的混合溶液，在搅拌状态下将锆钛离子的混合溶液滴加到氨水溶液中，经沉降、过滤，用去离子水清洗，得到锆钛氢氧化物共沉淀，将锆钛氢氧化物共沉淀分散于去离子水中，得到悬浮有锆钛氢氧化物共沉淀的水溶液。3.根据权利要求I所述的锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，其特征是步骤(I)中所述的矿化剂为氢氧化钾水溶液。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：何云斌，常钢，高小琴，尚勋忠，韦媛洪，周桃生，尹向阳，胡健仁，
申请(专利权)人：广州金升阳科技有限公司，湖北大学，
类型：发明
国别省市：