[其他]超声大功率压电陶瓷材料

说明书

本发明属于压电陶瓷材料

压电陶瓷材料的制造都是采用一般的陶瓷工艺，由于组成材料的成份在比例上的差异而显示出性能上的差异。就通常的性能而言，有的属于软性的接收型材料，有的属于硬性的发射型材料，或两种特性兼有的收发两用型材料。就发射材料而言，要求具有高的机电耦合系数，较高的介电常数，高的机械品质因数，高的矫顽场，低的介质损耗，特别是低的强场介质损耗，大的功率密度等。在我国目前较好的发射型材料是以Fe，Ca改性的PZT压电陶瓷材料。（中国科学院硅酸盐研究所压电组《低强场损耗锆钛酸铅压电陶瓷材料的研究》新型无机材料，4，1972。中国科学院声学所四室材料组《强电场下低介电损耗锆钛酸铅压电陶瓷材料》声学所内部资料，1973）。该材料虽有较高的机电耦合系数，较低的介质损耗，较高的机械品质因数，但它存在着矫顽场较低、强场损耗较大，功率密度较小之不足，故不能承受较大的功率。往往在大功率作用下，由于发热使元件损坏，不能正常工作1971年美国Vernitron公司的PZT-8材料CD，BerlincourtUltrasonicTransducerMaterials）虽是较好的大功率材料，但亦有强场损耗较大，机械品质因数较低之不足。1980年日本西田正光等人在电子通信学会技术研究报告（US80-31）“大功率用压电陶瓷”中所用配方为铌锌酸铅-铌锡酸铅-锆酸铅-钛酸铅四成份系压电陶瓷，在添加二氧化锰和三氧化锑后所得到的，虽有较高的机电耦合系数，高的机械Q值等优点，但介电损耗又较高，矫顽场又较低。

本发明的目的在于改善发射型材料的大功率特性，通过对材料配方的研究，得到较为理想的材料配方，使大功率特性，特别是强场介质损耗，矫顽场，功率密度等方面有较大的提高，满足在大功率作用下对材料性能的要求。

目前我国通常使用的较好的发射材料是以5克分子%的Sr置换Pb，锆钛比为52比48的锆钛酸铅及1.5克分子%的铁酸钙（CaFeO_5/2）组成的。本发明即以此为基，增加A克分子%的氧化锂（Li₂O）和B克分子%的氧化镁（MgO）两种成分，并辅以特定的制造工艺而获得本发明的材料。

本发明的一个实施例，其组成范围是采用化学表达式为：

Pb_0.35Sr_0.05（Zr_0.52Ti_0.48）O_i+1.5克分子%。

CaFeO_5.2+A克分子%Li₂O+B克分子%MgO

所得到的材料。其中

A为0.01至0.20

B为0.00至0.07

当A为0.05，B为0.01时，为本发明的最佳组成

本发明的制造工艺是这样的，按化学组成计量，称取各种相应的化学原料，将其在振动磨机中混合2.5小时，在940℃下保温2小时预烧，再将预烧的料块破碎，在振动磨机中粉碎5小时，而后加入占瓷料重量4%，浓度为5%的聚乙烯醇溶液为粘合剂，在1吨/（厘米）²的压力下成型，成型后于1240℃至1310℃下保温1至5小时烧成，在120℃下，以3kV/mm的直流电场极化15分钟。本发明的最佳烧结条件：温度为1260℃，保温时间为3小时。保温时间的长短视烧制坯件的大小而异，如直径为60mm厚为5mm以下的圆形坯件，即可采用上述的最佳烧成条件，如尺寸再大，保温时间就要延长到5小时左右。

本发明在制造工艺上还有两个特点，即：

1.对原材料的处理：主要是对二氧化锆（ZrO₂），二氧化钛（TiO₂），氧化铅（PbO₄）。对ZrO₂，先水洗再在900℃下保温2小时锻烧而后粉碎，对TiO₂，在900℃下保温2小时煅烧，对Pb₃O₄在120℃下烘烤24小时。

2.在化学计量时为补偿在高温时铅的挥发，Pb₃O₄的用量比化学计量多0.5%。

本发明材料具有较好的大功率特性，与目前我国P-8型发射型材料及美国Vernitron公司PZT-8型材料相比，优点是显著的，如下表所示（取自最佳组成，样品尺寸为（1７×1的圆片）。

注：^*为后补