[發明專利]一種壓電性能優異且穩定的摻雜改性鉛基壓電陶瓷

有效

• 申請號: 202110579006.9
• 申請日: 2021-05-26
• 公開（公告）號: CN113321507B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 李專;鄒凌芳
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C04B35/491
• 分類號: C04B35/491;C04B35/622;C04B35/63;C04B41/88
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 蔣太煒

本發明屬于摻雜改性鉛基壓電陶瓷制備技術領域，具體涉及一種在應用溫區內壓電性能穩定優異且加工性能優越的鉛基壓電陶瓷材料。所述原料以質量百分數計，包括四氧化三鉛66.5～68.3％、二氧化鋯18.5～19％、二氧化鈦11.2～11.4％、氧化鐠1～2.1％，氧化銅0.4～1.4％，碳酸錳0.5～1％；或四氧化三鉛65.6％、二氧化鋯19.1％、二氧化鈦11.4％、氧化鐠2％、氧化銅1％、碳酸錳1％。本發明設計的工藝路線為：混料、預燒、二次球磨、造粒、壓制、燒結、上電極、極化。本發明組分設計合理、制備工藝簡單可控，所得產品的機械品質因數高且相對介電常數高；便于大規模的應用。

技術領域

本發明屬于摻雜改性鉛基壓電陶瓷制備技術領域，具體涉及一種在應用溫區內壓電性能穩定優異且加工性能優越的鉛基壓電陶瓷材料。

背景技術

自壓電陶瓷被發現以來，人們經歷了羅息鹽、鈦酸鋇(BaTiO₃)等不同階段的探索，但較低的壓電活性與居里溫度，限制了它們的應用范圍。鋯鈦酸鉛(PZT)是鋯酸鉛與鈦酸鉛的無限固溶體組成的鉛基壓電陶瓷，其具有不隨溫度變化且幾乎只與配方有關的準同型相界(MPB)、較高的居里溫度(400℃)以及較高的壓電響應的特點，成為新一代高性能壓電陶瓷。目前，引入離子摻雜是提升陶瓷性能的一個主要研究方向，許多改性后的PZT壓電陶瓷被廣泛應用于濾波器、傳感器及換能器等領域。隨著科技的發展，人們對材料的需求越來越高，目前對PZT壓電陶瓷研究集中于提高居里溫度、降低燒結溫度、改善壓電性能等方面。對于高強場下以及作為換能器應用的壓電陶瓷，優異的壓電活性與較高的居里溫度是壓電陶瓷投入實際應用的前提。對壓電陶瓷而言，鉛的含量對其壓電性能起著至關重要的作用，而PZT陶瓷的燒結溫度(＞1100℃)遠高于氧化鉛的熔點(888℃)，造成鉛的揮發,從而降低了陶瓷的致密度和電疇活性。同時，由于鉛含量的降低導致PZT中各元素的化學計量比失調造成實際與設計的材料體系產生偏差從而影響陶瓷的電學性能。

為了降低燒結過程中鉛的揮發，使用放電等離子燒結(SPS)及微波燒結等手段改進制備方法是常用的改進方法，這樣使得樣品在較快的升溫速率下達到燒結溫度并迅速降溫，盡可能地降低陶瓷處于高溫區的時間，達到減少鉛揮發的效果；此外，在材料體系中引入液相輔助燒結也是降低燒結溫度的手段之一，液相包覆于晶粒表面加速熱量傳導，有效降低陶瓷的燒結溫度，同時液相能在高溫下迅速填充由于鉛揮發造成的孔洞，提升致密度。通過對PZT陶瓷進行組分設計，調控陶瓷的各項電學性能參數，“軟”化疇壁，使得電疇易于隨外電場及溫場發生自由轉向，從而得到壓電活性優異且性能穩定的壓電陶瓷。鐠作為鑭系稀土元素，由于未成對的電子而具有優良的電磁性能，被廣泛應用于半導體、壓敏電阻等。

中國專利文獻CN111747740公開了一種高性能鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷的制備方法，該陶瓷在由Pb₂O₃、BaCO₃、SrCO₃、ZrO₂、TiO₂按化學計量比稱量后生成的Pb_0.98Ba_0.015Sr_0.005(Zr_0.52Ti_0.48)O₃陶瓷中摻雜0.1,0.2,0.4質量百分數的Sm₂O₃。