專利名稱：：一種燒結溫度低的高效壓電陶瓷材料及其制備工藝的制作方法
技術領域：
：本發明涉及壓電陶瓷及其制備工藝領域，尤其涉及一種鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷，適用于壓電陶瓷蜂鳴片、多層壓電揚聲器、多層壓電執行器(actuator)。
背景技術：
：PZT壓電陶瓷是是將二氧化鉛、鋯酸鉛、鈦酸鉛在高溫下燒結而成的多晶體，廣泛用于工業、農業、軍事、醫療等領域，但現有技術的PZT壓電陶瓷燒結溫度大多在130(TC左右，鉛揮發嚴重，不僅影響材料性能，更是污染環境，研究低溫燒結有著重大意義①減少鉛揮發，避免陶瓷的組成偏離設計組成；②減少環境污染；③節省能源，延長設備使用壽命；在多層壓電器件中，可減少使用Pt、Pd等貴金屬的用量，甚至可以使用Ag、Ni、Cu等賤金屬作為電極，大大降低器件的成本。期刊《硅酸鹽學報》2006年第4期，低溫燒結PZT-0.5%PbO-W03壓電陶瓷一文中，公開了一種低溫燒結的壓電陶瓷，其燒結溫度為IIO(TC，介電常數為1593，d33=364pC/N，Kp=0.596，其壓電性太低，不能用于制備大功率多層揚聲器。專利申請號為200410016324.0的中國發明專利，公開了"摻雜鈮錳酸鉛_鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料及其制備工藝"，其燒結溫度為105(TC-125(TC，由于其壓電性能低，不能用于制造大功率壓電陶瓷揚聲器。
發明內容為解決現有技術存在的問題，本發明提供了一種燒結溫度低、壓電性能高的壓電陶瓷。本發明的另一目的是提供所述壓電陶瓷的制備工藝。本發明是這樣實現的—種燒結溫度低的高效壓電陶瓷材料，包括主要成份和輔助成份，所述主要成份化學式為L尸VW她6J((碼/3揚2/3MZ"1/3M>2/3W7V々,。3(i)其中Me為Ba、Ca、Sr中的任一種或兩種元素，且0.97《a《1.05，0.03《b《0.10，0.05《c《0.15，0.05《d《0.15，0.35《e《0.45，0.35《f《0.45，且c+d+e+f=1;以主要成分的總重量為100%添加以下輔助成份0.008%0.1%Si02或0.008%0.1%H3B03或兩者的混合物；0.10%0.60%的Sb205或Sb203;0.10%0.60%的Bi203或81205;0.03%0.20%Li2C05或Na2C03或兩者的混合物；%0.2%CuO。本發明提供的壓電陶瓷中優選下列含量的主要成分和輔助成份所述主要成份化學式為Pb0.995_008Sr005Ba003(Ni1/3Nb2/3)008(Zn1/3Nb2/3)012Ti040Zr04003(2)以主要成分的總重量為100%添加以下輔助成份0.05%Si02和0.05%H3B03的混合物、0.30%的Sb203、0.40%的Bi205、0.15%的Li2C03、0.15%的CuO。—種制備所述壓電陶瓷材料的制備工藝，包括下述步驟按主要成分的化學式配料，在混合后的主要成分中添加以下輔助成分CuO、Si02或H3B03或兩者的混合物、Sb205或Sb203、Bi203或Bi205、Li2C03或Na2C03;將上述陶瓷原料與去離子水一起投入行星球磨機中，混合610小時后出料，烘干；將上述步驟所得混合原料在780°C80(TC預燒23小時，將得到的預燒粉末與去離子水混合，用行星球磨機610小時，直到d5。《0.40iiM，d9。《0.60iiM，烘干；將烘干粉體加入聚乙烯醇溶液，造粒，干壓成型；排膠，燒結，所述燒結溫度為890°C950°C;將燒結后的產品磨平面，然后進行絲網印刷銀漿，燒銀；將燒銀后的產品進行極化，極化后放置24小時，即得到所述壓電陶瓷。本發明中主要成分^《。,M^j{(M1/3M>2/3)t.(Z"1/3M)2/3L}77e^vO^:0.97《a《1.05，若a<0.97，燒結性下降，燒結溫度上升，同時與化學計量比偏差過大，容易生成非均相，壓電性能惡化，若a〉1.05，則Pb含量過高，燒結產品的壓電性能下降，對環境污染嚴重；0.03《b《0.10，若b<0.03，壓電陶瓷材料的介電常數及壓電應變常數d33偏低，若b>0.l，壓電陶瓷材料的居里點下降且燒結性能下降；0.05《c《0.15，0.05《d《0.15，若c<0.05，d<0.05，則壓電陶瓷材料的介電常數、壓電應變常數d33不夠大，若c>0.15，d>0.15，則壓電陶瓷材料的居里點下降很大，而且如果Nb205含量大，因為Nb205價格高，所以會增加壓電陶瓷材料的成本；0.35《e《0.45，0.35《f《0.45，保持壓電陶瓷的組成在相界面(MPB)附近，保證壓電陶瓷有較大的介電常數及較高的壓電應變常數。在主要成分中添加適量的Si02或H3B03、CuO、Bi203或Bi205、Li2C03或Na2C03、Sb205或Sb203，主要目的是為了形成低共熔物，形成液相，在燒結前期形成的液相能很好的潤濕陶瓷顆粒，加速燒結傳質的過程，使得快速擴散到晶格，從面降低燒結溫度，在燒結后期，所述添加劑大多進入晶格，從而提高壓電陶瓷的壓電性。與現有技術相比，按本發明所述配方及制備工藝生產的壓電陶瓷，壓電性能顯著提高，其介電常數為3500-4800，介質損耗<2%，平面機電耦合系數>65%，壓電應變常數d33>550PV/N，機械品質因子Qm為50-150，在保持上述高壓電性能的目的，燒結溫度也降至89(TC-95(TC，最佳溫度范圍為91(rC-93(rC，本發明提供的壓電陶瓷，具有節能環保，成本低，性能高等優點，具有廣泛的應用前景，尤其適用于壓電陶瓷揚聲器及大功率壓電蜂鳴片。具體實施例方式下面將結合具體實施例來詳細說明本發明，在此本發明的示意性實施例以及說明用來解釋本發明，但并不作為對本發明的限定。實施例1:Pb0.97—0.10Sr0.10(Ni1/3Nb2/3)0.05(Zn1/3Nb2/3)0.15Zr0.35Ti0.4503(1)主要成分為Pb304、Zr02、Ti02、SrC03、NiC03、Zn0、Nb205，按化學式(1)的配方稱量，以上述主要成份總重量為100%，添加下列添加劑0.008%H3B03、0.60%的513205、0.10%的Bi203、0.03%的Li2C03、0.2%CuO;然后，將上述陶瓷原料與去離子水一起投入行星球磨機中，混合6-10小時后出料，烘干，其中行星球磨過程中，混合料球水=i:3.5:o.7;將混合原料在780°C-SO(TC預燒2-3小時，將得到的預燒粉末與去離子水混合，用行星球磨機6-10小時，直到d5。《0.40iim，d9。《0.60ym，烘干;將烘干粉體中加入重量比為5%10%、濃度為6%10%的聚乙烯醇溶液，造粒，干壓成型；排膠，燒結，燒結的溫度范圍為890°C_950°C;將燒結后的產品磨平面，然后進行絲網印刷銀漿，燒銀；極化，極化溫度為IO(TC_150°C，極化電場為2KV-4KV極化時間為10-15min，放置24小時。放置24小時后測試其介電性能和壓電性能，其性能如下<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實施例2:Pb0.995—0.08S:r0.05Ba0.03(Ni1/3Nb2/3)0.08(Zn1/3Nb2/3)0.12Ti0.40Z:r0.4003(2)主要成分為Pb304、Zr02、Ti02、SrC03、BaC03、NiC03、ZnO、Nb205，按化學式(2)的配方稱量，以上述主要成份總重量為100%，添加下列添加劑0.05%Si02和0.05%H3B03的混合物、0.30%的Sb203、0.40%的Bi205、0.15%的Li2C03、0.15%的CuO;然后，將上述陶瓷原料與去離子水一起投入行星球磨機中，混合6-10小時后出料，烘干，其中行星球磨過程中，混合料球水=i:3.5:o.9;將混合原料在780°C-SO(TC預燒2-3小時，將得到的預燒粉末與去離子水混合，用行星球磨機6-10小時，直到d5。《0.40iim，d9。《0.60iim，烘干；將烘干粉體中加入重量比為5%10%、濃度為6%10%的聚乙烯醇溶液，造粒，干壓成型；排膠，燒結，燒結的溫度范圍為890°C_950°C;將燒結后的產品磨平面，然后進行絲網印刷銀漿，燒銀；極化，極化溫度為100°C_150°C，極化電場為2KV-4KV極化時間為10-15min，放置24小時。放置24小時后測試其介電性能和壓電性能，其性能如下<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實施例3PbL05—0.03Ba0.03(Ni1/3Nb2/3;>0.15(Zn1/3Nb2/3;>0.05Ti0.45Zr0.3503(3)主要成分為Pb304、Zr02、Ti02、BaC03、NiC03、ZnO、Nb205，按化學式(3)的配方稱量，以上述主要成份總重量為100%，添加下列添加劑0.1%的Si02、0.10%的Sb205、0.60%的Bi203、0.2%的Na2C03、0.08%的CuO;然后，將上述陶瓷原料與去離子水一起投入行星球磨機中，混合6-10小時后出料，烘干，其中行星球磨過程中，混合料球水=i:3.5:o.8;將混合原料在780°C-SO(TC預燒2-3小時，將得到的預燒粉末與去離子水混合，用行星球磨機6-10小時，直到d5。《0.40iim，d9。《0.60ym，烘干;將烘干粉體中加入重量比為5%10%、濃度為6%10%的聚乙烯醇溶液，造粒，干壓成型；排膠，燒結，燒結的溫度范圍為890°C_950°C;將燒結后的產品磨平面，然后進行絲網印刷銀漿，燒銀；極化，極化溫度為IO(TC_150°C，極化電場為2KV-4KV極化時間為10-15min，放置24小時。放置24小時后測試其介電性能和壓電性能，其性能如下<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實施例4:PbL00—o.10Sr0.06Ca0.04(Ni1/3Nb2/3)0.10(Zn1/3Nb2/3)0.10Ti0.38Zr0.4203(4)主要成分為Pb304、Zr02、Ti02、SrC03、CaC03、NiC03、ZnO、Nb205，按化學式(4)的配方稱量，以上述主要成份總重量為100%，添加下列添加劑0.008%的Si02、0.30%的Sb205、0.40%的Bi205、0.10%的Li2C03和0.05%的Na2C03的混合物、0.10%的CuO;然后，將上述陶瓷原料與去離子水一起投入行星球磨機中，混合6-10小時后出料，烘干，其中行星球磨過程中，混合料球水=i:3.5:o.7;將混合原料在780°C-SO(TC預燒2-3小時，將得到的預燒粉末與去離子水混合，用行星球磨機6-10小時，直到d5。《0.40iim，d9。《0.60ym，烘干;將烘干粉體中加入重量比為5%10%、濃度為6%10%的聚乙烯醇溶液，造粒，干壓成型；排膠，燒結，燒結的溫度范圍為890°C_950°C;將燒結后的產品磨平面，然后進行絲網印刷銀漿，燒銀；極化，極化溫度為IO(TC_150°C，極化電場為2KV-4KV極化時間為10-15min，放置24小時。放置24小時后測試其介電性能和壓電性能，其性能如下<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>以上對本發明實施例所提供的技術方案進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明實施例的原理以及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只適用于幫助理解本發明實施例的原理；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明實施例，在具體實施方式以及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。權利要求一種燒結溫度低的高效壓電陶瓷材料，其特征在于所述壓電陶瓷包括主要成份和輔助成份，所述主要成份化學式為其中Me為Ba、Ca、Sr中的任一種或兩種元素，且0.97≤a≤1.05，0.03≤b≤0.10，0.05≤c≤0.15，0.05≤d≤0.15，0.35≤e≤0.45，0.35≤f≤0.45，且c+d+e+f＝1；以主要成分的總重量為100％添加以下輔助成份0.008％～0.1％SiO2或0.008％～0.1％H3BO3或兩者的混合物；0.10％～0.60％的Sb2O5或Sb2O3；0.10％～0.60％的Bi2O3或Bi2O5；0.03％～0.20％Li2CO3或Na2CO3或兩者的混合物；0.08％～0.2％CuO。F2009101928261C00011.tif2.如權利要求1所述的燒結溫度低的高效壓電陶瓷材料，其特征在于所述壓電陶瓷包括主要成份和輔助成份，所述主要成份化學式為Pb。995-0osSfo05Bao03(N"/3Nb2/3)o08(Zn^Nb^)0i2Ti04oZr04003(2)以主要成分的總重量為100%添加以下輔助成份0.05%Si02和0.05%H3B03的混合物、0.30%的Sb203、0.40%的Bi205、0.15%的Li2C03、0.15%的CuO。3.—種制備權利要求1或2所述的壓電陶瓷材料的制備工藝，其特征在于所述工藝包括下述步驟按主要成分的化學式配料，在混合后的主要成分中添加以下輔助成分CuO、Si(^或H3B03或兩者的混合物、Sb205或Sb203、Bi203或Bi205、Li2C03或Na2C03;將上述陶瓷原料與去離子水一起投入行星球磨機中，混合610小時后出料，烘干；將上述步驟所得混合原料在780°C80(TC預燒23小時，將得到的預燒粉末與去離子水混合，用行星球磨機610小時，直到d5。《0.40iiM，d90《0.60yM，烘干；將烘干粉體加入聚乙烯醇溶液，造粒，干壓成型；排膠，燒結，所述燒結溫度為890°C950°C;將燒結后的產品磨平面，然后進行絲網印刷銀漿，燒銀；將燒銀后的產品進行極化，極化后放置24小時，即得到所述壓電陶瓷。4.如權利要求3所述的壓電陶瓷材料的制備工藝，其特征在于將主要成分Pb304、Zr02、Ti02、BaC03/CaC03/SrC03中的任一種或者兩種、NiC03、ZnO、Nb205按主要成分的化學式配料。5.如權利要求3所述的壓電陶瓷材料的制備工藝，其特征在于所述行星球磨過程中，混合料球水=i:3.5:(o.7-o.9)。6.如權利要求3所述的壓電陶瓷材料的制備工藝，其特征在于所述極化條件為將烘干粉體中加入重量比為5%10%、濃度為6%10%的聚乙烯醇溶液。7.如權利要求3所述的壓電陶瓷材料的制備工藝，其特征在于所述極化條件為溫度為100°C15(TC，極化電場為2KV4KV，極化時間為1015min。全文摘要本發明公開了一種燒結溫度低、壓電性能高的壓電陶瓷及其制作工藝。所述壓電陶瓷包括主要成分和輔助成分，所述主要成分化學式為其中Me為Ba、Ca、Sr中的任一種或兩種元素，所述輔助成分為SiO2或H3BO3或兩者的混合物、Sb2O5或Sb2O3、Bi2O3或Bi2O5、Li2CO3或Na2CO3或兩者的混合物、CuO。所述制作工藝為配料、球磨、烘干、預燒、球磨、造粒、成型、排膠、燒結、刷銀、燒銀、極化。本發明提供的壓電陶瓷，具有節能環保，成本低，性能高等優點，具有廣泛的應用前景，尤其適用于壓電陶瓷揚聲器及大功率壓電蜂鳴片。文檔編號C04B35/622GK101712548SQ20091019282公開日2010年5月26日申請日期2009年9月30日優先權日2009年9月30日發明者姜德星申請人:廣州市番禺奧迪威電子有限公司