[发明专利]一种压电性能优异且稳定的掺杂改性铅基压电陶瓷

说明书

本发明属于掺杂改性铅基压电陶瓷制备技术领域，具体涉及一种在应用温区内压电性能稳定优异且加工性能优越的铅基压电陶瓷材料。所述原料以质量百分数计，包括四氧化三铅66.5～68.3％、二氧化锆18.5～19％、二氧化钛11.2～11.4％、氧化镨1～2.1％，氧化铜0.4～1.4％，碳酸锰0.5～1％；或四氧化三铅65.6％、二氧化锆19.1％、二氧化钛11.4％、氧化镨2％、氧化铜1％、碳酸锰1％。本发明设计的工艺路线为：混料、预烧、二次球磨、造粒、压制、烧结、上电极、极化。本发明组分设计合理、制备工艺简单可控，所得产品的机械品质因数高且相对介电常数高；便于大规模的应用。

技术领域

本发明属于掺杂改性铅基压电陶瓷制备技术领域，具体涉及一种在应用温区内压电性能稳定优异且加工性能优越的铅基压电陶瓷材料。

背景技术

自压电陶瓷被发现以来，人们经历了罗息盐、钛酸钡(BaTiO₃)等不同阶段的探索，但较低的压电活性与居里温度，限制了它们的应用范围。锆钛酸铅(PZT)是锆酸铅与钛酸铅的无限固溶体组成的铅基压电陶瓷，其具有不随温度变化且几乎只与配方有关的准同型相界(MPB)、较高的居里温度(400℃)以及较高的压电响应的特点，成为新一代高性能压电陶瓷。目前，引入离子掺杂是提升陶瓷性能的一个主要研究方向，许多改性后的PZT压电陶瓷被广泛应用于滤波器、传感器及换能器等领域。随着科技的发展，人们对材料的需求越来越高，目前对PZT压电陶瓷研究集中于提高居里温度、降低烧结温度、改善压电性能等方面。对于高强场下以及作为换能器应用的压电陶瓷，优异的压电活性与较高的居里温度是压电陶瓷投入实际应用的前提。对压电陶瓷而言，铅的含量对其压电性能起着至关重要的作用，而PZT陶瓷的烧结温度(＞1100℃)远高于氧化铅的熔点(888℃)，造成铅的挥发,从而降低了陶瓷的致密度和电畴活性。同时，由于铅含量的降低导致PZT中各元素的化学计量比失调造成实际与设计的材料体系产生偏差从而影响陶瓷的电学性能。

为了降低烧结过程中铅的挥发，使用放电等离子烧结(SPS)及微波烧结等手段改进制备方法是常用的改进方法，这样使得样品在较快的升温速率下达到烧结温度并迅速降温，尽可能地降低陶瓷处于高温区的时间，达到减少铅挥发的效果；此外，在材料体系中引入液相辅助烧结也是降低烧结温度的手段之一，液相包覆于晶粒表面加速热量传导，有效降低陶瓷的烧结温度，同时液相能在高温下迅速填充由于铅挥发造成的孔洞，提升致密度。通过对PZT陶瓷进行组分设计，调控陶瓷的各项电学性能参数，“软”化畴壁，使得电畴易于随外电场及温场发生自由转向，从而得到压电活性优异且性能稳定的压电陶瓷。镨作为镧系稀土元素，由于未成对的电子而具有优良的电磁性能，被广泛应用于半导体、压敏电阻等。

中国专利文献CN111747740公开了一种高性能锆钛酸铅基压电陶瓷的制备方法，该陶瓷在由Pb₂O₃、BaCO₃、SrCO₃、ZrO₂、TiO₂按化学计量比称量后生成的Pb_0.98Ba_0.015Sr_0.005(Zr_0.52Ti_0.48)O₃陶瓷中掺杂0.1,0.2,0.4质量百分数的Sm₂O₃。