[發明專利]低溫燒結大功率壓電陶瓷

無效

• 申請號: 201010192281.7
• 申請日: 2010-06-04
• 公開（公告）號: CN101857434A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發明（設計）人: 趙霞;孫清池;馬衛兵;孔德錢;高洪業
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C04B35/493
• 分類號: C04B35/493;C04B35/64
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 曹玉平

技術領域

本發明涉及以成分為特征的陶瓷組合物，主要涉及PZT(鋯鈦酸鉛)基壓電陶瓷。

背景技術

壓電陶瓷是一種十分關鍵的電子信息材料，它廣泛應用于換能器、振子、變壓器、傳感器等領域。它的性能的優劣直接關系到相關器件的性能，所以對于高性能壓電器件的研究及其重要。

而在當今應用的高性能壓電陶瓷中，又以PZT基的壓電陶瓷為主。PZT基壓電陶瓷具有壓電性能好、居里溫度高、機電性能優良等特性，在當今工業生產中占據主導地位。但對于PZT基的壓電陶瓷來說，其燒結溫度大都在1200℃以上。由于PbO(氧化鉛)在高溫時易于揮發，這一方面會造成燒結過程中鉛的揮發，使陶瓷的化學組成偏離化學計量比，從而使壓電陶瓷的性能嚴重下降；另一方面鉛的揮發會對人及環境造成不良影響。在當前的生產中，常使用埋燒法、密封燒結法或PbO過量法等來彌補鉛揮發的損失，但是都不能從根本上消除PbO揮發。抑制PbO揮發較為有效的方法是實現壓電陶瓷材料的低溫燒結，即將PZT基壓電陶瓷的燒結溫度降低到PbO揮發的溫度以下。同時，隨著科技的發展對壓電陶瓷的性能要求越來越高，就用于壓電變壓器的硬性壓電材料來說，對其硬性性能要求越來越苛刻，一般的單片式陶瓷已很難滿足高端使用要求。硬性壓電性能主要表現為壓電陶瓷的機械品質因數高、介電損耗低、矯頑場較高、產品顏色較深等；于此相對應的，軟性壓電性能主要表現為壓電系數和介電系數高、介電損耗大、機械品質因數低、機電耦合系數高、產品顏色較淺等。壓電變壓器正是利用壓電陶瓷的硬性性能以壓電陶瓷為原材料制作的一種一體化的固體變壓器，相對于傳統的線繞式變壓器具有高升壓比、高轉換效率、耐高溫高壓及短路燒毀、耐潮濕抗電磁干擾干擾、節約有色金屬等優勢，特別符合當前電子電路向集成化片式化發展的趨勢。它主要有單層和多層兩中類型，由于單層的功率有限，對于大功率的應用越來越傾向于多層壓電變壓器。

目前實現疊層結構使用較多，且較為行之有效的方法之一便是采用Pt(鉑)、Pd(鈀)等貴金屬作內電極，從而實現多層疊合一次燒成。但Pt、Pd等貴金屬成本相對較高，為降低成本，疊層結構器件一般要求采用導電能性良好、價格較低的Ag(銀)作內電極。由于Ag熔點較低，燒結溫度過高會造成銀離子向陶瓷層擴散，從而使陶瓷材料的絕緣電阻降低。若能實現壓電陶瓷的低溫燒結則可較好的解決這兩方面的問題。

目前，主要的低溫燒結途徑主要有以下三個：(a)添加助熔劑降低燒結溫度；(b)通過改變制粉工藝提高粉體活性；(c)改進燒結工藝，采用熱壓燒結。其中添加助熔劑降低燒結溫度的工藝最簡單，成本最低廉，是一種比較接近工業化生產的方法。通過加入低熔點的化合物，在燒結初期形成液相，由于液相燒結中的晶粒重排、強化接觸可提高晶界遷移率，使氣孔充分排出，從而促進燒結致密化，達到降低燒結溫度的目的。這方面的研究已經取得了較為理想的研究成果。

專利申請號為200410016324.0的“摻雜鈮錳酸鉛-鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料及其制備工藝”的專利申請，公開了一種低溫燒結的具有硬性壓電性能的陶瓷，其將燒結溫度降低到1050℃。但從目前的技術狀況來看，其燒結溫度、介電常數和機械品質因數(分別是1050℃、1300、1450)都不夠理想。

專利申請號為200810155055.4的“一種用于降低電聲轉換器壓電陶瓷燒結溫度的添加物”的專利申請，它是使用V₂O₅，Li₂CO₃和ZnO三種物質為燒結助劑，來降低鈮鋅-鈮鎳-鋯鈦酸鉛的燒結溫度，該系統軟性性能較好(介電常數為2500～3500，平面機電耦合系數大于等于65％，壓電系數大于等于450pc/N)；硬性性能較差，機械品質因數偏低，與本發明有很大差距，不適合壓電變壓器使用(介電損耗為小于等于2.0％，機械品質因數為70～450)。其燒結溫度為960℃，也不如本發明的燒結溫度低。

專利申請號為200810204463.4的“具有低燒結溫度特性的鐵電壓電陶瓷組分、制備和應用”的專利申請，它是使用MnO₂作為添加物來降低PbZrO₃-PbTiO₃-Bi(Zn_1/2Ti_1/2)O₃的燒結溫度，獲得是具有硬性壓電性能的低溫燒結陶瓷。但其得到的壓電陶瓷的介電常數、介電損耗等性能欠佳。

發明內容

本發明的目的是提供一種可低溫燒結的、具有良好硬性壓電性能的壓電陶瓷的配方組成。