[发明专利]一种铌锌铌镍锆钛酸铅压电陶瓷

说明书

技术领域

本发明属于一种以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种锆钛酸铅（PZT）基压电陶瓷材料制备和应用，尤其涉及压电陶瓷高温条件下的大应变应用。

背景技术

PZT压电陶瓷是一种重要的功能材料，广泛应用于电子元器件、微位移控制和微型超声电机等领域。PZT陶瓷由于具有较高的居里温度和良好的压电介电性能，在压电陶瓷领域仍占据主导地位。在PZT陶瓷基础上，多元系压电陶瓷如PZT-PZN、PZT-PNN、PZT-PMN等具有更高压电性能的体系相继被开发应用。

PZT基压电陶瓷制备过程中因粉体煅烧和坯体烧结温度较高，易引起铅挥发，造成成分偏离和性能恶化。为了避免铅的挥发，一种方案是通过添加烧结助剂降低烧结温度，但是通常烧结助剂会引起性能的显著降低；另一种方案是烧结工艺的改进，包括气氛片、埋烧以及比较复杂的双层坩埚密封技术等，更加简洁有效的保持铅气氛在压电陶瓷烧结过程中有待于改进。

在微位移控制应用领域，利用压电陶瓷的逆压电效应，高压电性能的PZT基陶瓷元件广泛应用于驱动器、补偿器和制动器等。为了保证压电陶瓷元件在较低驱动电压下获得大应变量，要求压电陶瓷具有高的压电系数（d₃₃）；为了满足在较高工作温度下的应用，要求压电陶瓷体系具有较高的相变温度，即居里温度T_c；同时介电损耗（tanδ）需限制在较低水平以减少实际应用过程中的发热。在报道的高性能压电体系中，铌锌锆钛酸铅（PZT-PZN）和铌镍锆钛酸铅（PZT-PNN）压电陶瓷有望满足上述的性能需求。PZT-PZN具有较高的居里温度，使用铌铁矿前驱体法分步合成制备时可获得极高的压电系数（690pC/N），但是使用适用于工业生产的传统固相反应法制备时压电系数较低（﹤500pC/N），大量文献报道了La³⁺掺杂后该体系获得了高的压电性能，但是引起居里温度的急剧降低，1mol%镧掺杂即可引起T_c降低20-30℃，阻碍了其在高温下的应用。相比之下，PZT-PNN使用传统固相法即可获得高压电系数和低损耗，但是PNN因其自身较低的居里温度（-120℃）使得该体系的T_c相对较低。因而可供选择的同时满足高d₃₃、高T_c和低tanδ的压电体系很少，限制了PZT基压电陶瓷在较高工作温度下的大应变应用。在PZT-PZN和PZT-PNN三元系陶瓷的基础上，四元系的PZT-PZN-PNN已经有少数研究者进行了报道，但是局限于压电系数、介电常数或者能量密度等部分性能。

发明内容

本发明的目的，为克服现有技术的缺点和不足，提供一种高压电系数、高居里温度、低损耗的大应变压电陶瓷，实现较大温度范围内的微位移控制应用。

为了实现上述目的，采用的解决方案如下：

一种铌锌铌镍锆钛酸铅压电陶瓷，其化学计量式为：0.7Pb(Zr_xTi_1-x)O₃-yPb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-(0.3-y)Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃，其中，0.44≦x≦0.47，0.07≦y≦0.13，其中，x、y均表示摩尔比；

该铌锌铌镍锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，具有以下步骤：

（1）根据铌锌铌镍锆钛酸铅压电陶瓷的化学计量式，称取Pb₃O₄、ZrO₂、TiO₂、Nb₂O₅、ZnO和Ni₂O₃为原料，与去离子水混合后湿磨4h后烘干，过筛；

（2）将步骤（1）制得的粉体密封于氧化铝坩埚中，于900℃煅烧3h，所得粉体研细后二次球磨4h，再干燥、过筛后添加聚乙烯醇造粒，于400MPa压力下干压成型；

（3）将步骤（2）所得坯体于700℃排胶，再于1120-1220℃烧结，保温2h，制得铌锌铌镍锆钛酸铅压电陶瓷；

（4）将步骤（3）制得的制品打磨光滑后被银电极，于750℃烧渗电极，再于直流电场3kV/mm极化20min，沉化24h后测试性能。

所述步骤（2）干压成型的坯体为直径12mm，厚度1mm的圆形片状结构。

所述步骤（2）二次球磨的磨机转速为750r/min。