[發(fā)明專利]氧化釤摻雜改性的鋯鈦酸鉛鐵電陶瓷及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210535913.4
• 申請日: 2012-12-12
• 公開（公告）號: CN102964123A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 聶恒昌;董顯林;陳學(xué)鋒;王根水;曹菲
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/493
• 分類號: C04B35/493;C04B35/622;C04B41/88
• 代理公司: 上海瀚橋?qū)＠硎聞?wù)所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種氧化釤摻雜改性的鋯鈦酸鉛95/5型鐵電陶瓷及其制備方法，屬于鐵電壓電陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

Neilson于1957年提出，如果一個極化了的鐵電體在外加沖擊波作用下可以去極化，那么該鐵電體可以用作脈沖電源（Neilson?F?W.Effects?of?strong?shocks?in?ferroelectricmaterials.Bull.Am.Phys.Soc.,2,302(1957).）。對于一個極化的鐵電體，存儲的能量密度ω=Pr²/(2ε₀ε_r)，這里Pr是鐵電體的剩余極化強度，ε_r是比介電常數(shù)，ε₀是空氣介電常數(shù)。

PZT95/5型鐵電陶瓷是指鋯鈦比位于95:5附近的一類鋯鈦酸鉛陶瓷材料的總稱。室溫下PZT95/5型鐵電陶瓷的組成位于鐵電——反鐵電相界附近，在電場、溫度和應(yīng)力等外場作用下可發(fā)生多種誘導(dǎo)相變。在沖擊壓縮作用下，極化的PZT95/5型鐵電陶瓷在沖擊波經(jīng)過的時間內(nèi)發(fā)生鐵電—反鐵電相變并釋放樣品表面的束縛電荷，可以在外電路形成大的電流脈沖或電壓脈沖，被認為是脈沖電源應(yīng)用的理想材料。

目前工程應(yīng)用中的PZT95/5型陶瓷采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)技術(shù)制備粉體和燒結(jié)陶瓷。該工藝制備的陶瓷通常具有95%以上的相對體積密度，即大約4-5%的本征氣孔率，獲得的剩余極化強度Pr=～35μC/cm²。根據(jù)應(yīng)用要求，需要設(shè)計脈沖電源的輸出功率。根據(jù)鐵電陶瓷的能量存儲密度公式ω=Pr²/(2ε₀ε_r)可以看出，通過改變陶瓷材料的剩余極化強度（Pr）可以調(diào)節(jié)鐵電陶瓷的能量存儲密度，從而實現(xiàn)電源輸出功率的設(shè)計。

目前，通過制備添加造孔劑工藝可以調(diào)節(jié)陶瓷材料的密度，從而實現(xiàn)鐵電陶瓷剩余極化強度的調(diào)節(jié)。曾濤等（Tao?Zeng,XianLin?Dong,ChaoLiang?Mao,ZhiYong?Zhou,HongYang.Effects?of?pore?shape?and?porosity?on?the?properties?of?porous?PZT?95/5ceramics,J.Eur.Ceram.Soc.27,2025(2007).）的研究發(fā)現(xiàn)，隨著孔隙率的增加，PZT?95/5鐵電陶瓷的剩余極化強度逐漸降低。聶恒昌等（H.C.Nie,X.L.Dong,N.B.Feng,X.F.Chen,G.S.Wang,Y.Gu,H.L.He,and?Y.S.Liu,Quantitative?dependence?of?the?properties?ofPb_0.99(Zr_0.95Ti_0.05)_0.98Nb_0.02O₃ferroelectric?ceramics?on?porosity，Mater.Res.Bull.,45,564(2010).）建立了多孔PZT95/5鐵電陶瓷的剩余極化強度、介電常數(shù)與孔隙率之間的定量關(guān)系，使材料性能與顯微結(jié)構(gòu)之間的精細調(diào)控成為可能。但該工藝獲得的多孔PZT95/5鐵電陶瓷的楊氏模量、屈服應(yīng)力和靜態(tài)抗電擊穿強度都顯著降低，尤其是當(dāng)造孔劑的添加量較高時。B.A.Tuttle等（B.A.Tuttle,P.Yang,J.H.Gieske,J.A.Voigt,T.W.Scofield,D.H.Zeuch,and?W.R.Olson,Pressure-Induced?Phase?Transformation?of?Controlled-Porosity?Pb(Zr_0.95Ti_0.05)O₃Ceramics,J.Am.Ceram.Soc.,84,1260(2001).）發(fā)現(xiàn)隨著孔隙率的增加，PZT95/5鐵電陶瓷的楊氏模量減小，導(dǎo)致陶瓷發(fā)生鐵電－反體電相變應(yīng)力減小。因此，如何在調(diào)節(jié)鐵電陶瓷剩余極化強度的同時保持其優(yōu)良性能成為一個重要問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種剩余極化強度可調(diào)且性能保持的鋯鈦酸鉛95/5型鐵電陶瓷及其制備方法，以解決通過添加造孔劑調(diào)節(jié)鐵電陶瓷剩余極化強度時其性能降低的問題。本發(fā)明人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在鋯鈦酸鉛95/5型鐵電陶瓷中摻雜不同量的稀土元素Sm₂O₃可以達到這一目的。