一種低溫?zé)Y(jié)的壓電陶瓷材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及無機非金屬材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種低溫?zé)Y(jié)的壓電陶瓷材料及其制備方法，其配方為：x(Li1/2La1/2)TiO3-m(Bi1/2Li1/2)(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Co1/2W1/2)O3-(1-x-m-y)(Pb0.95Ba0.05)(Zr0.54Ti0.46)O3+0.01-0.6wt.%La2O3；其中：0.01≤x≤0.1mol，0.01≤m≤0.1mol，0.01≤y≤0.1mol；(Li1/2La1/2)TiO3、(Bi1/2Li1/2)(In1/2Nb1/2)O3、Pb(Co1/2W1/2)O3和(Pb0.95Ba0.05)(Zr0.54Ti0.46)O3分別是采用常規(guī)的化學(xué)原料以固相法合成。本發(fā)明采用常規(guī)的固相法陶瓷的制備方法，利用普通化學(xué)原料，制備得到高壓電性能低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷，該壓電陶瓷適合于制備多層陶瓷驅(qū)動器。
【專利說明】一種低溫?zé)Y(jié)的壓電陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無機非金屬材料【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種低溫?zé)Y(jié)的壓電陶瓷材料及其制備方法，它采用常規(guī)的固相法陶瓷的制備方法，利用普通化學(xué)原料，制備得到高壓電性能低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷，該壓電陶瓷適合于制備多層陶瓷驅(qū)動器。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電陶瓷具有優(yōu)良的壓電效應(yīng)，是功能陶瓷中應(yīng)用非常廣泛的一類，如傳感器、換能器、濾波器等，在國民經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，由于無鉛壓電陶瓷的壓電性能與鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷的壓電性能相差很大，目前，壓電陶瓷的應(yīng)用主要是鋯鈦酸鉛基及其三元和四元系壓電陶瓷；PZT陶瓷驅(qū)動器包括單片式和多層驅(qū)動器，在微位移控制和超聲電機系統(tǒng)中已得到廣泛的應(yīng)用；燒結(jié)工藝是PZT基壓電陶瓷的重要工藝之一。傳統(tǒng)的PZT基壓電陶瓷的燒結(jié)溫度為1200-1350 °C，由于氧化鉛在高于800°C就開始揮發(fā)，很難得到組分均勻的致密陶瓷，同時對環(huán)境造成污染；燒結(jié)過程中氧化鉛揮發(fā)導(dǎo)致組分偏離化學(xué)計量而使陶瓷性能降低，同時導(dǎo)致Zr/Ti比的波動影響PZT基壓電陶瓷性能的穩(wěn)定性；如果在低于1000
°〇溫度燒結(jié)PZT基壓電陶瓷，由于此時氧化鉛的飽和蒸汽壓較低，只有不到1%的揮發(fā)，可以大大簡化燒結(jié)工藝，符合環(huán)保的要求；PZT基壓電陶瓷低溫?zé)Y(jié)研究的一個重要動力來自于多層陶瓷驅(qū)動器的制備技術(shù)需求，由于燒結(jié)溫度低可以利用低成本的內(nèi)電極，極大地促進(jìn)了多層壓電器件的發(fā)展；本發(fā)明得到低溫?zé)Y(jié)高壓電性能的多層壓電驅(qū)動器等用五元系壓電陶瓷；一般情況下，鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的燒結(jié)溫度在1200-1350°C，本發(fā)明的壓電陶瓷的燒結(jié)溫度為880-900°C，這樣大大的降低能耗，節(jié)約成本，同時能抑制氧化鉛的揮發(fā)，符合環(huán)保的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是這樣來實現(xiàn)的:
一種低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷，其配方為:x(Li1/2La1/2) Ti03-m(Bi1/2Li1/2) (In1/2Nb1/2)03-yPb (Co1/2ff1/2) O3- (l-x-m-y) (Pb0 95Ba0 05) (Zr0 54Ti0 46) O3 +0.01-0.6wt.%La203 ；其中:0.01 ^ X ^ 0.lmol, 0.01 ^ m ^ 0.lmol, 0.01 ^ y ^ 0.1 mol ； (Li1/2La1/2) Ti03、(Bi1/2Li1/2)(Inl72Nbl72)O3, Pb(Co1/2W1/2)0jP (Pba95Baatl5) (Zra54Tia46)O3 分別是采用常規(guī)的化學(xué)原料以固相法合成。
[0004]La2O3 的加入量是(X(LiliZ2Lav2)TiO3I(BiliZ2LiliZ2) (In1/2Nb1/2) 03-y Pb (Co1/2ff1/2) O3-
(l-x-m-y) (Pb0.95Ba0.05) (Zra54Tia46)O3)質(zhì)量的 0.01-0.6%。
[0005]本發(fā)明的壓電陶瓷所用的(Li1/2La1/2)Ti03的制備過程包括:將常規(guī)的化學(xué)原料Li2CO3和La2O3和TiO2按1/4:1/4:1摩爾比配料，研磨混合均勻后放入氧化鋁坩堝內(nèi)于800°C保溫120分鐘，固相反應(yīng)合成(Li1/2La1/2)Ti03，冷卻后研磨過200目篩，備用。
[0006]本發(fā)明的壓電陶瓷所用(Bi1/2Li1/2) (Inl72Nbl72)O3的制備過程包括:將常規(guī)的化學(xué)原料Bi203、Li2C03、In2O3和Nb2O5按照1/4:1/4:1/4:1/4的摩爾比配料，研磨混合均勻后放入氧化鋁坩堝內(nèi)于800°C _820°C保溫120分鐘，固相反應(yīng)合成(Bi1/2Li1/2) (In1/2Nb1/2)03，冷卻后研磨過200目篩,備用。
本發(fā)明的壓電陶瓷所用Pb(Co1/2W1/2)03的制備過程包括:將常規(guī)的化學(xué)原料Pb3O4和CoO和WO3按照1/3: 1/2:1/2的摩爾比配料，研磨混合均勻后放入氧化鋁坩堝內(nèi)于8500C _900°C保溫120分鐘，固相反應(yīng)合成Pb (Co1/2ff1/2) O3,冷卻后研磨過200目篩，備用。
[0007]本發(fā)明的壓電陶瓷所用(Pba95Baatl5) (Zra54Tia46)O3的制備過程包括:將常規(guī)的化學(xué)原料Pb3O4和BaCO3和ZrO2和TiO2按照0.95/3: 0.05:0.54:0.46的摩爾比配料，研磨混合均勻后放入氧化鋁坩堝內(nèi)于850°C -900°C保溫120分鐘，固相反應(yīng)合成(Pba95Baatl5)(Zra54Tia46) O3,冷卻后研磨過200目篩，備用 。
[0008]本發(fā)明采用壓電陶瓷制備工藝，即首先按配方配料將配合料球磨粉碎混合，進(jìn)行烘干后，加入粘合劑造粒，再壓制成生坯片，然后在空氣中進(jìn)行排膠和燒結(jié)，經(jīng)保溫并自然冷卻后，獲得五元系壓電陶瓷，在陶瓷上被電極，然后極化，老化，測性能。
上述低溫?zé)Y(jié)壓電陶瓷的配方最好采用下列二種方案:
X (Lil72Lal72) TiOg-m (Bi1/2Li1/2) (In1/2Nb1/2) 03-yPb (Co1/2ff1/2) O3- (Ι-χ-m-y) (Pb0 95Ba0 05)(Zra54Tia46)O3 +0.05-0.5wt.% La2O3;其中，0.03 < x < 0.08 mol, 0.03 ^0.08 mol,0.02 ^ y ^ 0.08 mol ο
[0009]X (Li1/2La1/2) Ti03_m (Bi1/2Li1/2) (In1/2Nb1/2) 03-yPb (Co1/2W1/2) O3- (Ι-χ-m-y)(Pb0 95Ba0 05)(Zr0 54Ti0 46)O3 +0.05-0.5wt.% La2O3; 其中，0.04 < x < 0.08 mol,0.04 ^ m ^ 0.08 mol, 0.04 ^ y ^ 0.08 mol。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
1、所制備的壓電陶瓷的介電常數(shù)約為3800左右，機械品質(zhì)因素(Qni)為1200左右，徑向機電耦合系數(shù)(Kp)為0.76左右，壓電應(yīng)變常數(shù)(d33)為500pC/N左右，介質(zhì)損耗(tan δ )小于 0.3%ο
[0011]2、本專利的壓電陶瓷性能很容易調(diào)節(jié)，以滿足系列多層壓電驅(qū)動器等的要求。
[0012]3、本陶瓷采用常規(guī)的固相法壓電陶瓷制備工藝即可進(jìn)行制備，所使用的原料是常規(guī)的化學(xué)原料，制作成本低；本發(fā)明的壓電陶瓷的燒結(jié)溫度為880-900°C，這樣大大的降低能耗，節(jié)約成本，同時能抑制氧化鉛的揮發(fā)。
【具體實施方式】
[0013]現(xiàn)在結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，表1給出本發(fā)明的實施例共4個試樣的配方。
[0014]本發(fā)明的實施例共4個試樣的配方的主要原料采用常規(guī)的化學(xué)原料，并預(yù)先合成(Lil72Lal72) TiO3> (Bi1/2Li1/2) (In1/2Nb1/2) 03> Pb(Col72Wl72)O3、(Pb0 95Ba0 05) (Zra54Tia46) O3，按上述配方混合配料，將配好的料用蒸餾水或去離子水采用行星球磨機球磨混合，料:球:水=1:3: (0.6^1.0)，球磨4~8小時后，烘干得干粉料，在干粉料中加入占其重量5~8%的濃度為10%(重量百分比)的聚乙烯醇溶液，進(jìn)行造粒，混研后過40目篩，再在2(T30Mpa壓力下進(jìn)行干壓成生坯片，然后在溫度為75(T80(TC下保溫1~4小時進(jìn)行排膠，升溫速率為50-100? /小時；然后將樣品置于氧化鋁坩堝中，密閉燒結(jié)，燒結(jié)溫度為88(T90(TC，保溫時間為f 2小時，即得到陶瓷片；陶瓷片經(jīng)研磨拋光后兩面被覆銀電極，并在硅油中120°C左右極化，極化電場為3000-5000伏/mm,極化時間為15~20分鐘；經(jīng)過老化48小時，測試其性能。
[0015]上述各配方試樣的性能列于表1，從表1可以看出所制備的壓電陶瓷的介電常數(shù)(ε )約為3800左右，機械品質(zhì)因素(Qni)為1200左右，徑向機電耦合系數(shù)(Kp)為0.76左右，壓電應(yīng)變常數(shù)(d33)為500pC/N左右，介質(zhì)損耗(tan δ )小于0.3%。
表1本發(fā)明的實施例共4個試樣的配方及性能
【權(quán)利要求】
1.一種低溫?zé)Y(jié)的壓電陶瓷材料，其特征在于所述壓電陶瓷材料的配方為:X (Lil72Lal72)TiO3-1ii(Bil72Lil72) (In1/2Nb1/2) 03-yPb (Co1/2ff1/2) 03-(l_x-m-y) (Pb0 95Ba0 05)
(Zra54Tia46)O3 +0.01-0.6wt.0ZoLa2O3 ;其中:0.01 ^ x ^ 0.lmol,0.01 ^ m ^ 0.1mol,0.01 ^ y ^ 0.1 mo I ； (Li1/2La1/2) Ti03、(Bi1/2Li1/2) (In1/2Nb1/2) 03> Pb (Co1/2ff1/2) O3 和(Pba95Baatl5) (Zra54Tia46)O3分別是采用常規(guī)的化學(xué)原料以固相法合成；La203的加入量是(X (Lil72Lal72) Ti03-m (Bi1/2Li1/2) (In1/2Nb1/2) 03-y Pb (Co1/2ff1/2) O3- (l-x-m-y)
(Pba95Ba0 05) (Zrtl 54Titl 46)O3)質(zhì)量的 0.01-0.6%。
2.如權(quán)利要求1所述的一種低溫?zé)Y(jié)的壓電陶瓷材料，其特征在于:所述壓電陶瓷材料的介電常數(shù)為3783-3812，機械品質(zhì)因素(Qm)為1189-1236，徑向機電耦合系數(shù)(Kp)為0.75-0.77，壓電應(yīng)變常數(shù)(d33)為 497-510pC/N，介質(zhì)損耗(tan δ )為 0.18%-0.28%。
3.如權(quán)利要求1所述的一種低溫?zé)Y(jié)的壓電陶瓷材料，其特征在于:所述的(Lil72Lal72)TiO3的制備過程如下:將常規(guī)的化學(xué)原料Li2CO3和La2O3和TiO2按1/4:1/4:I摩爾比配料，研磨混合均勻后放入氧化鋁坩堝內(nèi)于800°C保溫120分鐘，固相反應(yīng)合成(Li1/2La1/2) TiO3,冷卻后研磨過200目篩,備用。
4.如權(quán)利要求1所述的一種低溫?zé)Y(jié)的壓電陶瓷材料，其特征在于:所述的(Bil72Lil72) (Inl72Nbl72)O3的制備過程如下:將常規(guī)的化學(xué)原料Bi203、Li2C03、In203和Nb2O5按照1/4:1/4:1/4:1/4的摩爾比配料，研磨混合均勻后放入氧化鋁坩堝內(nèi)于800°C _820°C保溫120分鐘，固相反應(yīng)合成(Bi1/2Li1/2) (In1/2Nb1/2)03，冷卻后研磨過200目篩，備用。
5.如權(quán)利要求1所述的一種低溫?zé)Y(jié)的壓電陶瓷材料，其特征在于:所述的Pb (Co1/2ff1/2) O3的制備過程如下:將常規(guī)的化學(xué)原料Pb3O4和CoO和WO3按照1/3: 1/2:1/2的摩爾比配料，研磨混合均勻后放入氧化鋁坩堝內(nèi)于850°C-900°C保溫120分鐘，固相反應(yīng)合成Pb (Col72Wl72) O3,冷卻后研磨過200目篩,備用。
6.如權(quán)利要求1所述的一種低溫?zé)Y(jié)的壓電陶瓷材料，其特征在于:所述的(Pb0.95Ba0.05) (Zra54Tia46)O3的制備過程如下:將常規(guī)的化學(xué)原料Pb3O4和BaCO3和ZrO2和TiO2按照0.95/3: 0.05:0.54:0.46的摩爾比配料，研磨混合均勻后放入氧化鋁坩堝內(nèi)于8500C -900°C保溫120分鐘，固相反應(yīng)合成(Pba95Baatl5) (Zra54Tia46)O3，冷卻后研磨過200目篩，備用。
7.如權(quán)利要求1所述的一種低溫?zé)Y(jié)的壓電陶瓷材料，其特征在于所述壓電陶瓷材料的配方為=X(Liv2Lav2)TiO3I(BiliZ2Liv2) (In1/2Nb1/2) 03-yPb (Co1/2ff1/2) O3- (Ι-χ-m-y)(Pb0 95Ba0 05) (Zr0 54Ti0 46) O3 +0.05-0.5wt.% La2O3 ；其中，0.03 < x < 0.08 mol,0.03 ^ m ^ 0.08 mol, 0.02 ^ y ^ 0.08 mol。
8.如權(quán)利要求1所述的一種低溫?zé)Y(jié)的壓電陶瓷材料，其特征在于所述壓電陶瓷材料的配方為:x (Li1/2La1/2) TiO3-Hi (Bi1/2Li1/2) (In1/2Nb1/2) 03-yPb (Co1/2W1/2) O3- (Ι-χ-m-y)(Pb0 95Ba0 05)(Zr0 54Ti0 46)O3 +0.05-0.5wt.% La2O3 ；其中，0.04 < x < 0.08 mol,0.04 ^ m ^ 0.08 mol, 0.04 ^ y ^ 0.08 mol。
9.如權(quán)利要求1所述的一種低溫?zé)Y(jié)的壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟:采用常規(guī)的化學(xué)原料預(yù)先合成(Li1/2La1/2)Ti03、(Bil72Lil72) (In1/2Nb1/2)03>Pb (Co1/2ff1/2) O3、(Pba95Baatl5) (Zra 54Tia46) O3,按配方混合配料,將配好的料用蒸懼水或去離子水采用行星球磨機球磨混合，料:球:水=1:3: (0.6^1.0)，球磨1~8小時后，烘干得干粉料,在干粉料中加入占其重量5~8%的濃度為10wt%的聚乙烯醇溶液，進(jìn)行造粒，混研后過40目篩，再在2(T30Mpa壓力下進(jìn)行干壓成生坯片，然后在溫度為75(T800°C下保溫f 4小時進(jìn)行排膠，升溫速率為5(noo°c /小時；然后將樣品 置于氧化鋁坩堝中，密閉燒結(jié)，燒結(jié)溫度為88(T90(TC，保溫時間為f 2小時，即得到壓電陶瓷材料。
【文檔編號】C04B35/491GK103539447SQ201310463169
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】高春華, 黃新友, 李軍 申請人:江蘇大學(xué)