《一种高功率密度压电陶瓷材料及其制备方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种高功率密度压电陶瓷材料及其制备方法.pdf（7页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 102795854 A (43)申请公布日 2012.11.28 C N 1 0 2 7 9 5 8 5 4 A *CN102795854A* (21)申请号 201210310834.3 (22)申请日 2012.08.28 C04B 35/493(2006.01) C04B 35/622(2006.01) (71)申请人中国船舶重工集团公司第七一五研 究所 地址 310012 浙江省杭州市西湖区华星路 96号 申请人杭州瑞利超声器件公司 (72)发明人盖学周 汪跃群 胡望峰 (74)专利代理机构杭州九洲专利事务所有限公 司 33101 代理人陈继亮 (54) 发明。
2、名称 一种高功率密度压电陶瓷材料及其制备方法 (57) 摘要 本发明涉及一种高功率密度压电陶瓷材料 及其制备方法，组成式为：Pb 1-y-z Sr y Mg z (Mn 1/3 Nb 2/3 ) x (Ti m Zr 1-m ) n 0 3 +p mol%Pb0，式中：0.02 x0.1；0y0.1；0z0.1；0.47 m0.53；0.90n0.98；0p0.5； x、y、z、m、n、p为摩尔分数，且x+n=1，p是以 Pb 1-y-z Sr y Mg z (Mn 1/3 Nb 2/3 ) x (Ti m Zr 1-m ) n 0 3 为基准 外加的摩尔百分数。本发明的优点在于：采用 本发明。
3、的材料配方和制备工艺，可以获得介电 常数在125012.5%，平面机电耦合系数Kp为 0.596.0%，机械品质因数Qm在700以上，瓷体 密度7.8g/cm 3 ，居里温度Tc340，20度 温升下最高振动速度(v 20 )可以达到1.0m/s的 压电陶瓷材料。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 1/1页 2 1.一种高功率密度压电陶瓷材料，其特征在于：组成式为：Pb 1-y-z Sr y Mg z (Mn 1/3 Nb 2/3 ) x (Ti m Zr 1-m ) n 0 3 。
4、+p mol%Pb0，式中：0.02x0.1；0y0.1；0z0.1；0.47m 0.53；0.90n0.98；0p0.5；x、y、z、m、n、p为摩尔分数，且x+n=1，p是以 Pb 1-y-z Sr y Mg z (Mn 1/3 Nb 2/3 ) x (Ti m Zr 1-m ) n 0 3 为基准外加的摩尔百分数。 2.根据权利要求1所述的高功率密度压电陶瓷材料，其特征在于：所述的材料组成 为： Pb 0.97 Sr 0.02 Mg 0.01 (Mn 1/3 Nb 2/3 ) 0.045 (Ti 0.48 Zr 0.52 ) 0.955 0 3 +0.2mol%Pb0。 3.根据权利要求。
5、1所述的高功率密度压电陶瓷材料，其特征在于：所述的材料组成 为： Pb 0.97 Sr 0.02 Mg 0.01 (Mn 1/3 Nb 2/3 ) 0.048 (Ti 0.48 Zr 0.52 ) 0.952 0 3 +0.2mol%Pb0。 4.根据权利要求1所述的高功率密度压电陶瓷材料，其特征在于：所述的材料组成 为： Pb 0.97 Sr 0.02 Mg 0.01 (Mn 1/3 Nb 2/3 ) 0.05 (Ti 0.48 Zr 0.52 ) 0.95 0 3 +0.2mol%Pb0。 5.根据权利要求1或2或3或4所述的高功率密度压电陶瓷材料，其特征在于：所述 的材料组成，进一步包含。
6、下列物质中的一种：0.3wt%Fe203或0.25wt%Ce0 2 。 6.一种制备如权利要求1所述高功率密度压电陶瓷材料的方法，其特征在于：工艺步 骤是： 按所述的组成式进行配料； 湿法球磨混料15-25小时，烘干后进行合成，合成条件为650保温1-2小时，800 900保温2-3小时； 预烧好的料块经粗碎后，经湿法球磨30-50小时，烘干后加入重量百分比为37% 聚乙烯醇粘结剂造粒，聚乙烯醇粘结剂是以湿法球磨后烘干粉料重量为基准的，通过单轴 成型方法制得坯体； 成型后的坯体在750850保温2-5小时排胶； 然后将素坯置于Al 2 0 3 承烧板上，用Al 2 0 3 坩埚罩住素坯，形成密。
7、闭环境，然后在氧化 气氛中于12301280保温2-3小时烧结； 上好电极的试样放入150160硅油中，施加直流电场极化15-30分钟。 7.根据权利要求6所述的高功率密度压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：烧结时 的升温速度为23/分钟。 8.根据权利要求6所述的高功率密度压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：极化时 的电场强度为23KV/mm。 权 利 要 求 书CN 102795854 A 1/5页 3 一种高功率密度压电陶瓷材料及其制备方法 技术领域 0001 本发明属于电子元器件制造技术领域，主要是一种高功率密度压电陶瓷材料及其 制备方法。 技术背景 0002 压电陶瓷的发现是从上世纪。
8、40年代中期发现BaTi0 3 开始的，进而开发出具有更 优异压电性能的Pb(Zr，Ti)0 3 ，然后在Pb(Zr，Ti)0 3 基础上引入第三组元，开发出三组分体 系复合钙钛矿化合物。如今压电陶瓷已广泛应用在陶瓷谐振器、陶瓷滤波器等频率器件和 超声清洗、超声焊接和超声马达等功率器件中。用在大功率场合下的压电陶瓷材料，经常出 现发热严重、非线性、压电性能衰减和机械强度不够等问题。为了解决这个问题：首先，即使 在大功率输出下机械品质因数和机电耦合系数也必须是高的，从而能量转换效率高，可以 降低内耗进而降低热辐射；其次，介电损耗必须是足够低以降低内部发热；再次，压电陶瓷 颗粒尺寸必须是精细的，以。
9、增加机械强度和瓷体密度；因而，为了适应大功率输出的要求， 压电陶瓷必须具有优异的机械品质因数Qm和机电耦合系数、低介电损耗tg。本发明正是 为了解决上述问题而进行的。 发明内容 0003 本发明的目的是提供一种功率密度高，机械品质因数Qm、机电耦合系数优异和介 电损耗低的高功率密度压电陶瓷材料及其制备方法，主要用于超声清洗、超声焊接和压电 马达等方面。 0004 本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。本发明旨在通过Pb(Mn 1/3 Nb 2/3 )、 Sr、Mg和Pb0的掺杂取代改性，为功率超声提供一种高功率密度、机械品质因数和机电耦合 系数优异的压电陶瓷材料配方及其制备方法。这种高功率密。
10、度压电陶瓷材料，组成式为： Pb 1-y-z Sr y Mg z (Mn 1/3 Nb 2/3 ) x (Ti m Zr 1-m ) n 0 3 +p mol% Pb0，式中：0.02x0.1；0y0.1； 0z0.1；0.47m0.53；0.90n0.98；0p0.5；x、y、z、m、n、p为摩尔分 数，且x+n=1，p是以Pb 1-y-z Sr y Mg z (Mn 1/3 Nb 2/3 ) x (Ti m Zr 1-m ) n 0 3 为基准外加的摩尔百分数。 0005 所述的材料组成为：Pb 0.97 Sr 0.02 Mg 0.01 (Mn 1/3 Nb 2/3 ) 0.045 (Ti。
11、 0.48 Zr 0.52 ) 0.955 0 3 +0.2mol%Pb0。 0006 所述的材料组成为：Pb 0.97 Sr 0.02 Mg 0.01 (Mn 1/3 Nb 2/3 ) 0.048 (Ti 0.48 Zr 0.52 ) 0.952 0 3 +0.2mol%Pb0。 0007 所述的材料组成为：Pb 0.97 Sr 0.02 Mg 0.01 (Mn 1/3 Nb 2/3 ) 0.05 (Ti 0.48 Zr 0.52 ) 0.95 0 3 +0.2mol%Pb0。 0008 所述的材料组成，进一步包含下列物质中的一种：0.3wt%Fe 2 0 3 或0.25wt%Ce0 2 。。
12、 0009 本发明所述的这种高功率密度压电陶瓷材料的制备方法，工艺步骤是： 0010 根据上述配方组成，按化学计量比进行配料； 0011 用玛瑙球作为研磨介质，湿法球磨混料15-25小时，烘干后进行预烧合成，合成 说 明 书CN 102795854 A 2/5页 4 条件为650保温1-2小时，800900保温2-3小时； 0012 预烧好的料块经粗碎后，用玛瑙球作为球磨介质，经湿法球磨30-50小时，料浆 烘干后加入重量百分比为37%聚乙烯醇PVA粘结剂造粒，聚乙烯醇粘结剂的加入量是以 合成的压电陶瓷料块经湿法球磨后烘干粉料重量为基准的，通过单轴成型方法制得坯体； 0013 成型后的坯体在7。
13、50850保温2-5小时排胶； 0014 然后将素坯置于Al 2 0 3 承烧板（坩埚）上，用Al 2 0 3 坩埚罩住素坯，形成密闭环 境，然后在氧化气氛中于12301280保温2-3小时烧结；将烧结瓷体加工成201、 50237.5两种尺寸； 0015 上好电极的试样放入150160硅油中，施加直流电场极化15-30分钟。即上 电极极化和性能测试；采用阿基米德排水法测量机加工后瓷体的密度。 0016 作为优选，烧结时的升温速度为23/分钟，即氧化气氛中以23/分钟 的速率升温至12301280，保温2-3小时烧结。 0017 作为优选，极化时的电场强度为23KV/mm。 0018 本发明的。
14、压电陶瓷材料配方包括以下组分，即向Pb(Zr，Ti)0 3 双组分体系中添 加： 0019 a)用于增长机械品质因数Qm和机电耦合系数Kp的Pb(Mn 1/3 Nb 2/3 )； 0020 b)添加Sr以代替一部分Pb用量，可以防止谐振频率的温度特性退化，提高介电常 数，改善高压下物理性能的恶化； 0021 c)添加Mg以代替一部分Pb用量，可以增加矫顽场Ec，降低介电损耗tg，促进烧 结，增加瓷体密度和机械强度； 0022 d)掺杂Fe 2 0 3 可以提高压电材料的矫顽电场Ec和居里温度Tc，提高压电材料的功 率密度； 0023 e)掺杂Ce0 2 ，它将沉淀成颗粒边界以使得颗粒变细，增加。
15、机械强度和瓷体密度；现 在描述限制本发明压电陶瓷材料组分含量的原因。 0024 在本发明的三组分体系压电陶瓷组合物中，组分Sr y ，y应优选限制为0y0.1，理 由如下。即，如果y超过0.1，居里温度和矫顽场降低； 0025 另外，在组分Mg z 中，z应优选限制为0z0.1，原因是如果z超过0.1，介电损耗增 大，介电常数降低； 0026 而且，（Mn 1/3 Nb 2/3 ） x 中，x应优选限制为0.02x0.1，且理由如下。即，如果超出 上述范围，则对机械品质因数Qm和机电耦合系数Kp没有改进效果。 0027 另外，(Ti m Zr 1-m )中，m应优选限制为0.47m0.53，且。
16、理由如下。即，在该范围附近， 有准同型相界，而且如果采纳所述范围，压电性能优异，且谐振频率的温度特性变得更佳。 0028 同时，用于补偿Pb0蒸发损失的p mol%Pb0中，p应优选限制为0p0.5，理由如 下。即，如果p超过0.5，Pb0就变得过量，容易造成烧结后颗粒变大，瓷体密度降低； 0029 在本发明的压电陶瓷材料中，如果Fe 2 0 3 以0.3wt%或更低的量掺杂，则矫顽电场和 居里温度可以进一步提高。而且，如果掺杂Ce0 2 ，它将沉淀成颗粒边界以使得颗粒变细。如 果这个效果没有实现，则Ce0 2 的添加量优选为0.25wt%或更低。 0030 本发明的优点在于：采用本发明的材料。
17、配方和制备工艺，可以获得介电常数在 125012.5%，平面机电耦合系数Kp为0.596.0%，机械品质因数Qm在700以上，瓷体密度 说 明 书CN 102795854 A 3/5页 5 7.8g/cm 3 ，居里温度Tc340，20度温升下最高振动速度(v 20 )可以达到1.0m/s 的压电陶瓷材料。 具体实施方式 0031 下面将基于实际的实例对本发明进行更详细的描述。 0032 这种高功率密度压电陶瓷材料，组成式为：Pb 1-y-z Sr y Mg z (Mn 1/3 Nb 2/3 ) x (Ti m Zr 1-m ) n 0 3 +pmol%Pb0，式中：0.02x0.1；0y0.。
18、1；0z0.1；0.47m0.53；0.90 n0.98；0p0.5；x、y、z、m、n、p为摩尔分数，且x+n=1，p是以Pb 1-y-z Sr y Mg z (Mn 1/3 Nb 2/3 ) x (Ti m Zr 1-m ) n 0 3 为基准外加的摩尔百分数。 0033 所述的材料组成为：Pb 0.97 Sr 0.02 Mg 0.01 (Mn 1/3 Nb 2/3 ) 0.045 (Ti 0.48 Zr 0.52 ) 0.955 0 3 +0.2mol%P b0。 0034 所述的材料组成为：Pb 0.97 Sr 0.02 Mg 0.01 (Mn 1/3 Nb 2/3 ) 0.048 (。
19、Ti 0.48 Zr 0.52 ) 0.952 0 3 +0.2mol%P b0。 0035 所述的材料组成为：Pb 0.97 Sr 0.02 Mg 0.01 (Mn 1/3 Nb 2/3 ) 0.05 (Ti 0.48 Zr 0.52 ) 0.95 0 3 +0.2mol%Pb0。 0036 实施例1 0037 材料组成为：Pb 0.97 Sr 0.02 Mg 0.01 (Mn 1/3 Nb 2/3 ) 0.045 (Ti 0.48 Zr 0.52 ) 0.955 0 3 +0.2mol%Pb0+0 .25wt%Ce0 2 ，根据上述配方组成，按化学计量比进行配料4000克，用玛瑙球作为球磨。
20、介质， 湿法球磨混料20小时，出浆烘干后压块预烧，预烧好的料块经粗碎后用玛瑙球作为球磨介 质，湿法球磨40小时，粉料烘干后加入5%PVA（聚乙烯醇）粘结剂造粒，粘结剂的加入量是 以预烧的压电陶瓷料块经湿法球磨后烘干粉料重量为基准加入的。 0038 通过单轴成型法制得坯体，成型后坯体在空气中800保温2小时排胶，冷却后将 素坯置于Al 2 0 3 坩埚中，在氧化气氛中以23/分钟的速率升温至1260，保温2小时 烧结，随后将烧结瓷体加工成201、50237.5两种尺寸，然后上电极极化和性 能测试，采用阿基米德排水法测量机加工后瓷体的密度。201、50237.5两种 元件的压电性能和瓷体密度见表一。
21、和表二。 0039 表一201压电性能和瓷体密度 0040 介电常数 tg% Kp Qm Nd 1107 0.35 0.592 810 2130 7.82 0041 表一50237.5压电性能和瓷体密度 0042 介电常数 tg% Kr Qm Nr 1194 0.24 0.521 969 1640 7.80 0043 表中：Kp:平面机电耦合系数； 0044 Kr:径向机电耦合系数； 0045 tg:介电损耗； 0046 Qm:机械品质因数； 说 明 书CN 102795854 A 4/5页 6 0047 Nd:圆片径向伸缩模频率常数； 0048 Nr:中空薄圆片径向伸缩模频率常数； 0049。
22、 ：瓷体密度； 0050 实施例2 0051 材料组成为：Pb 0.97 Sr 0.02 Mg 0.01 (Mn 1/3 Nb 2/3 ) 0.048 (Ti 0.48 Zr 0.52 ) 0.952 0 3 +0.2mol%Pb0+0 .3wt%Fe 2 0 3 ，根据上述配方组成，按化学计量比进行配料4000克，用玛瑙球作为球磨介质， 湿法球磨混料20小时，出浆烘干后压块预烧，预烧好的料块经粗碎后用玛瑙球作为球磨介 质，湿法球磨40小时，粉料烘干后加入5%PVA（聚乙烯醇）粘结剂造粒，粘结剂的加入量是 以预烧的压电陶瓷料块经湿法球磨后烘干粉料重量为基准加入的。 0052 通过单轴成型法制得。
23、坯体，成型后坯体在空气中800保温2小时排胶，然后将素 坯置于Al 2 0 3 坩埚中，在氧化气氛中以23/分钟的速率升温至1260，保温2小时烧 结，随后将烧结瓷体加工成201、50237.5两种尺寸，然后上电极极化和性能 测试，采用阿基米德排水法测量机加工后瓷体的密度。201、50237.5两种元 件的压电性能和瓷体密度见表三和表四。 0053 表三201压电性能和瓷体密度 0054 介电常数 tg% Kp Qm Nd 1130 0.32 0.595 800 2130 7.81 0055 表四50237.5压电性能和瓷体密度 0056 介电常数 tg% Kr Qm Nr 1141 0.23。
24、 0.532 1050 1640 7.80 0057 实施例3 0058 材料组成为：Pb 0.97 Sr 0.02 Mg 0.01 (Mn 1/3 Nb 2/3 ) 0.05 (Ti 0.48 Zr 0.52 ) 0.95 0 3 +0.2mol%Pb0+0.3w t%Fe 2 0 3 ，根据上述配方组成，按化学计量比进行配料4000克，用玛瑙球作为球磨介质，湿法 球磨混料20小时，出浆烘干后压块预烧，预烧好的料块经粗碎后用玛瑙球作为球磨介质， 湿法球磨40小时，粉料烘干后加入5%PVA（聚乙烯醇）粘结剂造粒，粘结剂的加入量是以预 烧的压电陶瓷料块经湿法球磨后烘干粉料重量为基准加入的。 00。
25、59 通过单轴成型法制得坯体，成型后坯体在空气中800保温2小时排胶，然后将素 坯置于Al 2 0 3 坩埚中，在氧化气氛中以23/分钟的速率升温至1260，保温2小时烧 结，随后将烧结瓷体加工成201、50237.5两种尺寸，然后上电极极化和性能 测试，采用阿基米德排水法测量机加工后瓷体的密度。201、50237.5两种元 件的压电性能和瓷体密度见表五和表六。 0060 表五201压电性能和瓷体密度 0061 介电常数 tg% Kp Qm Nd 说 明 书CN 102795854 A 5/5页 7 1190 0.32 0.590 838 2120 7.80 0062 表六50237.5压电性能和瓷体密度 0063 介电常数 tg% Kr Qm Nr 1243 0.21 0.523 1170 1630 7.79 说 明 书CN 102795854 A 。