[发明专利]钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷，其材料具有以下化学通式：Pb_0.98Ba_0.015Sr_0.005(Zr_0.52Ti_0.48)O₃+xwt％Sm₂O₃，其中0.1≤x≤0.5，wt％为质量百分比。本发明还公开了该压电陶瓷的制备方法，包括：称取原料，加入去离子水后进行球磨、烘干、过筛、预压、煅烧；将煅烧后的物料破碎后进行二次球磨、烘干、研磨过筛，得到陶瓷粉体；将陶瓷粉体压制成胚料，并进行排胶、高温烧结、低温氧化后，得到氧化后的陶瓷；以及将氧化后的陶瓷经丝印被银、煅烧、极化后，得到该压电陶瓷片。本发明制得的压电陶瓷片，居里温度Tc为350～420℃，压电常数D₃₃为480～550pC/N，相对介电系数ε₃₃T/ε₀为1720～1850。该材料在常温至高温环境下均可反复或长期使用，可应用于高温条件下的各种压电加速度传感器、超声传感器等领域。

技术领域

本发明涉及压电陶瓷领域，尤其涉及一种钐离子掺杂锆钛酸铅基压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷是人类自1880年J.居里和P.居里发现压电效应以来，在探索压电材料的工作中所取得的成果之一。它是一种能够将机械能和电能相互转换的功能陶瓷材料，广泛应用于医学成像、各类传感器、换能器、超声马达等诸多领域。自1954年B.Jaffe等发现比BaTiO3性能更出色的压电材料—锆钛酸铅(PZT)陶瓷以来，逐步产生了二元、三元乃至四元系压电陶瓷材料。虽然通过改变Zr/Ti可以改变材料的性能参数，但仅仅靠Zr/Ti的改变是不能满足各种应用条件对材料提出的性能要求的。而添加一些掺杂可以在很大范围内改变材料的性能，从而大大扩大了压电陶瓷的应用范围。

等价离子置换是PZT陶瓷的性能改善的最常见且有有效的手段。等价离子的加入对PZT二元系性能的影响所谓等价离子的加入是指用一些与Pb²⁺、Zr⁴⁺、Ti⁴⁺同价，且离子半径相似的离子加入到PZT固溶体中，置换一部分原来的Pb²⁺、Zr⁴⁺、Ti⁴⁺。这些离子占据了原来正常晶格中的Pb²⁺、Zr⁴⁺、Ti⁴⁺位置，形成了置型固溶体。常用的置换Pb²⁺离子有Ba²⁺、P、Ca²⁺、Sr²⁺。置换Zr⁴⁺、Ti⁴⁺的离子有Sn⁴⁺、Hf⁴⁺。Ba²⁺置换部分Pb²⁺后使压电陶瓷的机械品质因素(Q_m)增大，频率温度稳定性得到改善。Ca²⁺置换部分Pb²⁺后使频率温度稳定性得到改善，但机电耦合系数(K)和Q_m略有所降低。Sr²⁺置换Pb²⁺后使K和Qm增大，频率温度稳定性得到改善。

在实际生产中，为了取长补短，通常加入两种或两种以上的等价离子。但目前的Ba²⁺、Sr²⁺改性的PZT压电陶瓷的压电性能和长时间温度稳定性仍然不够理想，需要提供一种更优异的置换和掺杂方式。

发明内容

为此，本发明提供了一种钐离子掺杂锆钛酸铅基高性能压电陶瓷及其制备方法，以力图解决或至少解决上述存在的问题。