高居里温度“收发”两用型pzt三元系压电陶瓷材料及其制备方法
阅读说明：本技术 高居里温度“收发”两用型pzt三元系压电陶瓷材料及其制备方法 (high-Curie-temperature 'transmitting-receiving' dual-purpose PZT ternary system piezoelectric ceramic material and preparation method thereof ) 是由 黄碧 尹协琳 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明属于压电陶瓷技术领域,具体涉及一种高居里温度“收/发”两用型PZT-Pb(Sn-(2/3)Nb-(1/3))三元系压电陶瓷材料及其制备方法,该三元系压电陶瓷材料以锆钛酸铅和铌锡酸铅固溶体为主要成分,可不掺杂或可掺杂选自SiO-2、La-2O-3和MnO-2中的至少一种或几种添加物,该PZT-Pb(Sn-(2/3)Nb-(1/3))三元系压电陶瓷材料组成为：Pb(Zr-(1-x)Ti-x)1-y(Sn-(2/3)Nb-(1/3))yO-3+awt.％SiO-2+bwt.％La-2O-3+cwt.％MnO-2；其中,x＝0.35～0.65,y＝0.0～0.20,a＝0～0.2,b＝0～0.3,c＝0～0.1；本发明的陶瓷材料具有较高的压电应变常数d-(33)和机电耦合系数k-p,适中的介电常数和机械品质因数,是一种性能优良的“收/发”两用型压电陶瓷材料。(The invention belongs to the technical field of piezoelectric ceramics, and particularly relates to high-Curie-temperature 'receiving/transmitting' dual-purpose PZT-Pb (Sn) 2/3 Nb 1/3 ) The ternary piezoelectric ceramic material takes lead zirconate titanate and lead niobate stannate solid solution as main components, and can be undoped or doped with SiO 2 、La 2 O 3 And MnO 2 At least one or more additives of PZT-Pb (Sn) 2/3 Nb 1/3 ) The ternary system piezoelectric ceramic material comprises the following components: pb (Zr) 1‑x Ti x )1‑y(Sn 2/3 Nb 1/3 )yO 3 +awt.％SiO 2 +bwt.％La 2 O 3 +cwt.％MnO 2 (ii) a Wherein x is 0.35-0.65, y is 0.0-0.20, a is 0-0.2, and b is0 to 0.3, c is 0 to 0.1; the ceramic material of the invention has higher piezoelectric strain constant d 33 And an electromechanical coupling coefficient k p Moderate dielectric constant and mechanical quality factor, and is a 'receiving/transmitting' dual-purpose piezoelectric ceramic material with excellent performance.)
技术领域
本发明属于压电陶瓷技术领域，具体涉及一种高居里温度“收/发”两用型PZT-Pb(Sn2/3Nb1/3)三元系压电陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
随着现代科学技术的迅猛发展，压电陶瓷材料的研究越来越深入，应用也越来越广泛，如在压电换能器的设计时经常会要求压电陶瓷元件同时具有接收和发射的功能，还希望能在温度较高的环境下使用，这些将对压电陶瓷的研究提出新的挑战，要得到居里温度高、接收灵敏度高，发射信号又比较强的“收/发”两用型压电陶瓷比较难以实现。目前最常用的压电陶瓷材料的居里温度(Tc)一般都比较低，在温度升高时容易引起材料退极化而导致换能器压电性能不稳定等问题，因此，具有高居里温度(Tc)“收/发”两用型压电陶瓷材料的研制对高温“收/发”两用型压电器件的研发具有重大的意义。本发明基于满足在高温环境下工作的收/发两用型压电器件对压电陶瓷材料提出的更高要求，制备出了居里温度高、接收灵敏度高、发射信号强的新型压电陶瓷材料。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种居里温度高、接收灵敏度高并且发射信号强的收/发”两用型压电陶瓷材料，其材料标准片(Φ20×1)的主要性能为：d33＝430pC/N，ε33T/εo＝1800，tanδ＝1.50％，kp＝0.64，Qm＝100，Tc＝358℃。相比一般的同类PZT压电陶瓷，本发明的陶瓷材料具有较高的压电应变常数d33和机电耦合系数kp，适中的介电常数和机械品质因数，是一种性能优良的“收/发”两用型压电陶瓷材料。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种高居里温度“收发”两用型PZT-Pb(Sn2/3Nb1/3)三元系压电陶瓷材料，该三元系压电陶瓷材料以锆钛酸铅和铌锡酸铅固溶体为主要成分，可不掺杂或可掺杂选自SiO2、La2O3和MnO2中的至少一种或几种添加物；
所述高居里温度“收发”两用型PZT-Pb(Sn2/3Nb1/3)三元系压电陶瓷材料组成为：
Pb(Zr1-xTix)1-y(Sn2/3Nb1/3)yO3+awt.％SiO2+bwt.％La2O3+cwt.％MnO2；其中，x＝0.35～0.65，y＝0.0～0.20，a＝0～0.2，b＝0～0.3，c＝0～0.1；其中，x和y表示摩尔比例；a、b和c表示质量比例。
一种高居里温度“收发”两用型PZT-Pb(Sn2/3Nb1/3)三元系压电陶瓷材料的制备方法，该制备方法依次包括：配料、混料、合成、细磨、成型、排塑、烧成、上电极和极化步骤。
优选的，所述混料工艺中采用锆球或钢球做介质；所述细磨工艺中采用锆球做搅拌球磨；所述烧成步骤为1265～1325℃的温度下烧结1～4h；所述极化步骤的条件为：温度120℃～160℃，电压3～5kV/mm，时间10～20min，保压降温极化。
优选的，具体步骤如下：
1)配料：按照所述高居里温度“收/发”两用型PZT-Pb(Sn2/3Nb1/3)三元系压电陶瓷材料的组成计算并称取各种原料；
2)混料：采用去离子水和锆球或钢球作为介质，按比例混合，经滚桶球磨混料7～9h；
3)压块合成：将混好的原料烘干后进行压块，合成：800℃～900℃的温度条件下合成2～4h；
4)粉碎细磨：将步骤3)中制得的合成好的粉料粗碎后进行细磨，细磨采用搅拌球磨，按比例混合，球磨12～20h；
5)造粒成型：球磨好的料出料烘干后、加粘结剂、造粒并成型；
6)排塑：将成型好的样品放在厢式电炉进行排塑；
7)烧结：将样品放入氧化铝坩埚里密封烧结，烧结工艺是1265℃～1325℃的温度条件下保温1～4h；
8)机加工：将烧结好的样品根据规格要求进行机械加工；
9)超声清洗、上电极；
10)极化：将有电极的样品放在硅油里，加高压电场进行极化，其中，极化条件是：温度为120℃～160℃，电压为3～5kV/mm，时间为10～20min。
优选的，所述步骤2)中按照原料：钢球：去离子水＝1：2：0.6的比例混合。
优选的，所述步骤3)中合成的温度为830～880℃。
优选的，所述步骤4)中按照原料：锆球：去离子水＝1：1.5：0.6的比例混合。
本发明的有益效果为：
本发明获得了一种居里温度高、接收灵敏度高并且发射信号强的收/发”两用型压电陶瓷材料，其材料标准片(Φ20×1)的主要性能为：d33＝430pC/N，ε33T/εo＝1800，tanδ＝1.50％，kp＝0.64，Qm＝100，Tc＝358℃。相比一般的同类PZT压电陶瓷，本发明的陶瓷材料具有较高的压电应变常数d33和机电耦合系数kp，适中的介电常数和机械品质因数，是一种性能优良的“收/发”两用型压电陶瓷材料。三元系陶瓷具有可以广泛调节压电性能的特点，它可以通过改变三个组元的不同比例，大幅度改变材料的性能，还可以在三元系主成分的基础上加入一些改性添加物，使得材料性能得到更进一步的改善；
用本材料制成的压电陶瓷元件可用于制作成石油流量计，是一种高居里温度“收/发”两用型PZT-Pb(Sn2/3Nb1/3)三元系压电陶瓷材料；
本发明所提出的制备方法具有工艺稳定，重复性好，成本低，烧结温度适中等优点，所述方法制备的陶瓷材料致密均匀，能满足不同压电收发两用压电器件需要，产品性能已能完全取代同类进口产品，具有良好的应用前景。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
高居里温度“收发”两用型PZT-Pb(Sn2/3Nb1/3)三元系压电陶瓷材料组成为：
Pb(Zr1-xTix)1-y(Sn2/3Nb1/3)yO3+awt.％SiO2+bwt.％La2O3+cwt.％MnO2；其中，x＝0.35，y＝0.20，a＝0，b＝0.2，c＝0.1；其中，x和y表示摩尔比例；a、b和c表示质量比例。
具体的，具体步骤如下：
1)配料：按照高居里温度“收/发”两用型PZT-Pb(Sn2/3Nb1/3)三元系压电陶瓷材料的组成计算并称取各种原料；
2)混料：采用去离子水和锆球或钢球作为介质，按照原料：钢球：去离子水＝1：2：0.6的比例混合，经滚桶球磨混料7～9h；
3)压块合成：将混好的原料烘干后进行压块，合成：850℃的温度条件下合成2～4h；
4)粉碎细磨：将步骤3)中制得的合成好的粉料粗碎后进行细磨，细磨采用搅拌球磨，按照原料：锆球：去离子水＝1：1.5：0.6的比例混合，球磨12～20h；
5)造粒成型：球磨好的料出料烘干后、加粘结剂、造粒并成型；
6)排塑：将成型好的样品放在厢式电炉进行排塑；
7)烧结：将样品放入氧化铝坩埚里密封烧结，烧结工艺是1265℃～1325℃的温度条件下保温1～4h；
8)机加工：将烧结好的样品根据规格要求进行机械加工；
9)超声清洗、上电极；
10)极化：将有电极的样品放在硅油里，加高压电场进行极化，其中，极化条件是：温度为120℃～160℃，电压为3～5kV/mm，时间为10～20min。
实施例二：
高居里温度“收发”两用型PZT-Pb(Sn2/3Nb1/3)三元系压电陶瓷材料组成为：
Pb(Zr1-xTix)1-y(Sn2/3Nb1/3)yO3+awt.％SiO2+bwt.％La2O3+cwt.％MnO2；其中，x＝0.50，y＝0.10，a＝0.1，b＝0.1，c＝0.1；其中，x和y表示摩尔比例；a、b和c表示质量比例。
具体的，具体步骤如下：
1)配料：按照高居里温度“收/发”两用型PZT-Pb(Sn2/3Nb1/3)三元系压电陶瓷材料的组成计算并称取各种原料；
2)混料：采用去离子水和锆球或钢球作为介质，按照原料：钢球：去离子水＝1：2：0.6的比例混合，经滚桶球磨混料7～9h；
3)压块合成：将混好的原料烘干后进行压块，合成：830℃的温度条件下合成2～4h；
4)粉碎细磨：将步骤3)中制得的合成好的粉料粗碎后进行细磨，细磨采用搅拌球磨，按照原料：锆球：去离子水＝1：1.5：0.6的比例混合，球磨12～20h；
5)造粒成型：球磨好的料出料烘干后、加粘结剂、造粒并成型；
6)排塑：将成型好的样品放在厢式电炉进行排塑；
7)烧结：将样品放入氧化铝坩埚里密封烧结，烧结工艺是1265℃～1325℃的温度条件下保温1～4h；
8)机加工：将烧结好的样品根据规格要求进行机械加工；
9)超声清洗、上电极；
10)极化：将有电极的样品放在硅油里，加高压电场进行极化，其中，极化条件是：温度为120℃～160℃，电压为3～5kV/mm，时间为10～20min。
实施例三：
高居里温度“收发”两用型PZT-Pb(Sn2/3Nb1/3)三元系压电陶瓷材料组成为：
Pb(Zr1-xTix)1-y(Sn2/3Nb1/3)yO3+awt.％SiO2+bwt.％La2O3+cwt.％MnO2；其中，x＝0.40，y＝0.15，a＝0，b＝0.1，c＝0.1；其中，x和y表示摩尔比例；a、b和c表示质量比例。
具体的，具体步骤如下：
1)配料：按照高居里温度“收/发”两用型PZT-Pb(Sn2/3Nb1/3)三元系压电陶瓷材料的组成计算并称取各种原料；
2)混料：采用去离子水和锆球或钢球作为介质，按照原料：钢球：去离子水＝1：2：0.6的比例混合，经滚桶球磨混料7～9h；
3)压块合成：将混好的原料烘干后进行压块，合成：880℃的温度条件下合成2～4h；
4)粉碎细磨：将步骤3)中制得的合成好的粉料粗碎后进行细磨，细磨采用搅拌球磨，按比例混合，球磨12～20h；
5)造粒成型：球磨好的料出料烘干后、加粘结剂、造粒并成型；
6)排塑：将成型好的样品放在厢式电炉进行排塑；
7)烧结：将样品放入氧化铝坩埚里密封烧结，烧结工艺是1265℃～1325℃的温度条件下保温1～4h；
8)机加工：将烧结好的样品根据规格要求进行机械加工；
9)超声清洗、上电极；
10)极化：将有电极的样品放在硅油里，加高压电场进行极化，其中，极化条件是：温度为120℃～160℃，电压为3～5kV/mm，时间为10～20min。
实施例四：
高居里温度“收发”两用型PZT-Pb(Sn2/3Nb1/3)三元系压电陶瓷材料组成为：
Pb(Zr1-xTix)1-y(Sn2/3Nb1/3)yO3+awt.％SiO2+bwt.％La2O3+cwt.％MnO2；其中，x＝0.65，y＝0.20，a＝0.2，b＝0.3，c＝0.1；其中，x和y表示摩尔比例；a、b和c表示质量比例。
具体的，具体步骤如下：
1)配料：按照高居里温度“收/发”两用型PZT-Pb(Sn2/3Nb1/3)三元系压电陶瓷材料的组成计算并称取各种原料；
2)混料：采用去离子水和锆球或钢球作为介质，按照原料：钢球：去离子水＝1：2：0.6的比例混合，经滚桶球磨混料7～9h；
3)压块合成：将混好的原料烘干后进行压块，合成：860℃的温度条件下合成2～4h；
4)粉碎细磨：将步骤3)中制得的合成好的粉料粗碎后进行细磨，细磨采用搅拌球磨，按照原料：锆球：去离子水＝1：1.5：0.6的比例混合，球磨12～20h；
5)造粒成型：球磨好的料出料烘干后、加粘结剂、造粒并成型；
6)排塑：将成型好的样品放在厢式电炉进行排塑；
7)烧结：将样品放入氧化铝坩埚里密封烧结，烧结工艺是1265℃～1325℃的温度条件下保温1～4h；
8)机加工：将烧结好的样品根据规格要求进行机械加工；
9)超声清洗、上电极；
10)极化：将有电极的样品放在硅油里，加高压电场进行极化，其中，极化条件是：温度为120℃～160℃，电压为3～5kV/mm，时间为10～20min。
对上述实施例一所制备的压电陶瓷材料，进行压电性能测量，其材料标准片(Φ20×1)的主要性能为：d33＝430pC/N，ε33T/εo＝1800，tanδ＝1.50％，kp＝0.64，Qm＝100，Tc＝358℃。相比一般的同类PZT压电陶瓷，本发明的陶瓷材料具有较高的压电应变常数d33和机电耦合系数kp，适中的介电常数和机械品质因数，是一种性能优良的“收/发”两用型压电陶瓷材料。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。