專利名稱：一種納米-微米雙尺度晶粒復合pzt壓電陶瓷的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種納米-微米雙尺度晶粒復合PZT壓電陶瓷的制備方法， 主要利用納米、微米晶粒尺度的懸殊使其晶粒相互嵌套，形成致密化的陶 瓷，有效地改善陶瓷的力學性能。該發明屬于先進精細功能陶瓷制備領域， 可以廣泛應用于航空、航天、兵器、艦船、海洋、電子、信息、等高技術 領域。
背景技術：
壓電材料，由于其在航空、航天、兵器、艦船以及民用高技術等各個 領域的廣泛應用，越來越受到人們的重視。目前應用的最普遍的壓電材料 仍然是鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷，PZT陶瓷是具有鈣鈦礦相AB03型結 構的壓電陶瓷材料，其組成在準同型相界點附近，即x=0.52-0.55的PZT 陶瓷的介電常數和機電耦合系數尤為高。因此該類PZT陶瓷材料體現出的 優良的介電性、壓電性、鐵電、光電性和熱釋電性，且易摻雜改性，穩定 性好等諸多優點，已經被廣泛應用于聲納、超聲波馬達、蜂鳴器、加速度 計、水聽器、聲表面波器件、壓電換能器、超準定位儀、陀螺驅動器、數 據存儲顯示器等領域。然而，由于陶瓷的本征脆性、環境污染問題及壽命 等問題，使得傳統PZT陶瓷正面臨著嚴峻的挑戰，其應用范圍開始受到極 大的限制。
同時，目前國內同類方法中大都采用單一尺度陶瓷粉體作為原料，其 缺點是要獲得陶瓷的高致密度，需要較高的燒結溫度，增大了鉛的揮發而 造成對環境的污染，并且沒有改變壓電陶瓷的本征脆性等問題。
發明內容
本發明的發明目的在于提供一種納米-微米雙尺度晶粒復合PZT壓電 陶瓷的制備方法。
其主要內容為
將具有特殊表面效應的納米PZT晶粒與微米晶粒間形成納米-微米相互嵌 套，得到納米-微米雙尺度晶粒復合PZT壓電陶瓷；通過燒結控制晶粒長大的不 同速度，提高PZT陶瓷的致密度，改善力學性能。
所采用的主要原料為納米PZT預燒陶瓷粉體和微米PZT預燒陶瓷粉休。
它的制備工藝為
1)在室溫下，將納米PZT粉體、微米PZT粉體(質量比10-40: 60-90) 和酒精(占總質量的5-20%)在球磨機內混合，球磨3-10小吋；將聚乙烯醇 PVA溶液(濃度為3-5wt。/。， PVA占總質量的1-5%)加入到PZT粉體混合， 球磨5-24小時；將得到的混合液在60-200"C鼓風干燥箱中邊干燥邊攪拌5-10 小時成固體，再進行研磨過60目篩成粉；
2〕將粉料在不銹鋼磨具中壓制(50-200kg/cm2)成圓片生坯，生坯置于坩 鍋在箱式燒結爐屮以1-10°C/ min的升溫速度升溫至500-600°C，恒溫2-5小時 進行排膠；再以2-7。C/min升溫至卯0-120(TC，恒溫2-5小時后，隨爐冷卻，得 淡黃色PZT陶瓷圓片；將陶瓷片進行切割加工，涂銀漿，上電極，極化老化后， 得到復相PZT壓電陶瓷。
本發明也可用含0.1-5wt^金屬摻雜的PZT預燒陶瓷粉體作為原料，其它 操作工藝不變，制備出含摻雜的雙尺度晶粒復合壓電陶瓷。
本發明涉及的工藝原理是，利用納米、微米晶粒尺度的懸殊，使得其 晶粒長大速度不同，小晶粒約束大晶粒的長大速度，并能在大晶粒間的空 隙處長大，形成雙尺度晶粒間的相互嵌套。將納米-微米PZT預燒壓電粉 體共燒結，得到納米-微米雙晶粒復合PZT壓電陶瓷。這種納米-微米雙晶 粒復合PZT壓電陶瓷的致密度明顯提髙，力學性能明顯增強。
由于本發明采用納米粉體添加到微米粉體形成雙尺度晶粒陶瓷，使得 比原來純微米粉體所制備的壓電陶瓷的燒結溫度有所下降；且均為PZT粉 體，相容性較好，對陶瓷的壓電性能影響不大；PZT納米粉體的加入，能 有效地填補微米晶粒之間的空隙，提高了陶瓷的致密度，從而改善了陶瓷的本征脆性，增強了雙尺度晶粒復合PZT壓電陶瓷的力學性能。
本發明通過對不同組分配比、不同燒結溫度等條件下制得的產品分析，適宜的操作條件是納米PZT粉體與微米PZT粉體組分比為10-40: 60-90，聚乙烯醇濃度為3-5wt%，燒結溫度為900-1200℃。該條件下得到的PZT壓電陶瓷的致密度高，為相對密度的96-98%，壓電性能穩定，力學性能提高。
本發明的有益效果是由于原料采用納米-微米雙尺度晶粒陶瓷粉體， 降低了陶瓷的燒結溫度，并保持了原有的壓電性能，且陶瓷的本征脆性明顯改善，提高了陶瓷的力學性能。且其制備操作工藝簡單、成本較低，能夠滿足工業化推廣和應用的要求。
具體實施例方式
實施例1.
以制備Ol5xlmm的PZT壓電陶瓷片為例，5個陶瓷片量計，所需原料為納米PZT預燒粉體15克、微米PZT預燒粉體35克，PVA溶液26.2 克。具體操作如下
1) 在室溫下，將納米PZT預燒陶瓷粉體15克、微米PZT預燒陶瓷粉體35克和10克酒精混合在球磨機內，球磨3小時。將所配制的PVA溶液26.2克分批少量加入到PZT粉體混合攪拌，球磨5小時。將得到的混合液在120℃鼓風干燥箱中邊干燥邊攪拌8小時成固體，再用瑪瑙研磨罐進行研磨過60目篩成粉。
2) 將粉料在不銹鋼磨具中壓制(150kg/cm2)成圓片生壞，生壞置十坩 鍋在箱式燒結爐中以8℃/ min的升溫速度升溫至600℃，恒溫3小時進行 排膠；再以4℃/min升溫至1100℃，恒溫5小時后，隨爐冷卻，得淡黃色PZT陶瓷圓片。將陶瓷片進行切割加工成Ol5xlmm,兩面均涂上銀槳， 上電極，極化老化后，得到雙尺度晶粒復合PZT壓電陶瓷成品。實施例2.
以制備024x2mm的PZT壓電陶瓷片為例，5個陶瓷片量計，所需的 原料為納米PZT預燒粉體10克、微米PZT預燒粉體40克，PVA溶液20 克。具體操作如下
1) 在室溫下，將納米PZT預燒陶瓷粉體10克、微米PZT預燒陶瓷 粉體40克和15克酒精混合在球磨機內，球磨5小時。將所配制的PVA溶 液26.2克分批少量加入到PZT粉體混合攪拌，球磨5小時。將得到的混 合液在10(TC鼓風干燥箱中邊干燥邊攪拌6小時成固體，再用瑪瑙研磨罐 進行研磨過60目篩成粉。
2) 將粉料在不銹鋼磨具中壓制(200kg/cm2)成圓片生壞，生壞置于坩 鍋在箱式燒結爐中以6°C/ min的升溫速度升溫至550°C ，恒溫2小時進行 排膠再以3。C/min升溫至105(TC，恒溫5小時后，隨爐冷卻，得淡黃色 PZT陶瓷圓片。將陶瓷片進行切割加工成024x2mm，兩面均涂上銀漿， 上電極，極化老化后，得到雙尺度晶粒復合PZT壓電陶瓷成品。
實施例3.
以制備036x3mm的PZT壓電陶瓷片為例，5個陶瓷片量計，所需的 原料為納米PZT預燒粉體20克、微米PZT預燒粉體60克，PVA溶液45 克。具體操作如下
1) 在室溫下，將納米PZT預燒陶瓷粉體20克、微米PZT預燒陶瓷 粉體60克和30克酒精混合在球磨機內，球磨9小時。將所配制的PVA溶 液45克分批少量加入到PZT粉體混合攪拌，球磨20小時。將得到的混合 液在15(TC鼓風干燥箱中邊干燥邊攪拌10小時成固體，再用瑪瑙研磨罐進 行研磨過60目篩成粉。
2) 將粉料在不銹鋼磨具中壓制(200kg/cm2)成圓片生壞，生壞置于坩 鍋在箱式燒結爐中以8°C/ min的升溫速度升溫至600°C ，恒溫5小時進行排膠；再以5。C/min升溫至1000℃，恒溫5小時后，隨爐冷卻，得淡黃色 PZT陶瓷圓片。將陶瓷片進行切割加工成036x3mm，兩面均涂上銀漿， 上電極，極化老化后，得到雙尺度晶粒復合PZT壓電陶瓷成品。
實施例4.
利用例1的工藝還可以制成一種鑭(La34)摻雜PZT雙尺度晶粒復合 壓電陶瓷，具體方法是先設定產品中鉛與鑭的摩爾比為97: 3，其他可 參照原工藝比例，納米、微米組分比為20: 80，納米粉體15克，微米粉 體35克，PVA溶液26.2克，其余操作工藝同例l。
權利要求
1.一種納米-微米雙尺度晶粒復合鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷的制備方法，其特征在于將具有特殊表面效應的納米PZT晶粒與微米晶粒間形成納米-微米相互嵌套，得到納米-微米雙尺度晶粒復合PZT壓電陶瓷；通過燒結控制晶粒長大的不同速度，提高PZT陶瓷的致密度，改善力學性能。
2. 根據權利要求1所述的一種納米-微米雙尺度晶粒復合PZT壓電陶瓷的 制備方法，其特征在于所采用的主要原料為納米PZT預燒陶瓷粉體和微米PZT 預燒陶瓷粉體。
3. 根據權利要求1所述的一種納米-微米雙尺度晶粒復合PZT壓電陶瓷的 制備方法，其特征在于它的制備工藝為1) 在室溫下，將納米PZT粉體、微米PZT粉體(質量比10-40: 60-90)和酒精(占總質量的5-20%)在球磨機內混合，球磨3-10小時；將聚乙烯醇溶 液加入到PZT粉體混合，球磨5-24小時；將得到的混合液在100-20(TC鼓風干 燥箱中邊干燥邊攪拌5-10小時成固體，再進行研磨過60目篩成粉；2) 將粉料在不銹鋼磨具中壓制成圓片生壞，生壞置于坩鍋在箱式燒結爐中 以1-10°C/ min的升溫速度升溫至500-600°C，恒溫2-5小時進行排膠；再以 2-7。C/min升溫至900-120(TC，恒溫2-5小時后，隨爐冷卻，得淡黃色PZT陶瓷 圓片；將陶瓷片進行切割加工，涂銀漿，上電極，極化老化后，得到復相PZT 壓電陶瓷。
4. 根據權力要求1所述的一種納米-微米雙尺度晶粒復合PZT壓電陶瓷的 制備方法，其特征在于也可用含0.1-5wt^金屬摻雜的PZT預燒陶瓷粉體作為原料，其它工藝操作不變，制備出含摻雜的雙尺度晶粒復合壓電陶瓷。
全文摘要
本發明公開了一種納米-微米雙尺度晶粒復合鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷的制備方法。其制備方法是以納米、微米PZT預燒陶瓷粉體為原料，先將納米、微米PZT粉體充分混合均勻，在體系中添加聚乙烯醇溶液再進行球磨攪拌，通過干燥粉碎、細磨過篩、干壓成型后，在500-600℃排膠，900-1200℃燒結2-5小時，再進行切割加工、極化老化后，得到雙尺度晶粒復合PZT壓電陶瓷。該陶瓷與傳統壓電陶瓷相比，制備工藝簡單、成本低。特別是，這種納米-微米雙尺度晶粒復合PZT壓電陶瓷的壓電性能穩定、力學性能明顯強。
文檔編號C04B35/491GK101172857SQ200610137609
公開日2008年5月7日 申請日期2006年11月1日 優先權日2006年11月1日
發明者曹茂盛, 林海波, 金海波 申請人:北京理工大學