本發明專利技術屬于壓電陶瓷領域，具體涉及一種“收/發”兩用型PZT-Pb(Sb2/3Mn1/3)三元系壓電陶瓷材料及其制備方法。該三元系壓電陶瓷以鋯鈦酸鉛和銻錳酸鉛固溶體為主要成分，同時摻雜SiO2、Sm2O3、MnO3和CeO2添加物的至少3種。本發明專利技術壓電陶瓷材料標準片的主要性能為：d33＝424pC/N，ε33T/εo＝1320，tanδ＝0.26％，kp＝0.63，Qm＝362。相比一般的“硬性”PZT壓電陶瓷，本發明專利技術材料具有較高的壓電應變常數d33和機電耦合系數kp，適中的介電常數和機械品質因數，是一種性能優良的“收/發”兩用型壓電陶瓷材料。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于壓電陶瓷領域，具體涉及一種“收/發”兩用型PZT-Pb (Sb273Mnl73)三元系壓電陶瓷材料及其制備方法。
技術介紹
隨著現代科學技術的迅猛發展，壓電陶瓷材料的研究越來越深入，應用也越來越廣泛，如在壓電換能器的設計時經常會要求壓電陶瓷元件同時具有接收和發射的功能，這將對壓電陶瓷的研究提出新的挑戰，要得到接收靈敏度高，發射信號又比較強的“收/發” 兩用型壓電陶瓷比較難以實現。鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷屬ABO3型鈣鈦礦結構，我們通常對A位或B位的取代改性和添加物改性來改變材料的不同性能。當A、B位被施加鉀、鐵、 錳、鎂等“硬性”摻雜時，性能則表現為“硬”的一面，通常稱為“發射”型壓電陶瓷，其性能特征表現為機械品質因數(Qm)提高，介電損耗(tg δ)、機電耦合系數(kp)、介電常數(ε33τ/ ε ο)減小。當Α、Β位被施加鑭、鉍、鈮、銻“施主”摻雜時，性能則向“軟”的方面轉化，稱為“接收”型壓電陶瓷，其性能特征是介電常數(ε 33Τ/ ε ο)、介電損耗(tg δ )、機電耦合系數 (kp)增大。而要讓一種壓電陶瓷同時具備“接收”和“發射”兩種性能，在材料配方設計和制備工藝方面比較難以實現。例如，在美國商用壓電陶瓷系列中，ΡΖΤ_8(大功率型)，其Qm 達到1000，d33只有218PC/N，ε 337 ε Q也比較小，主要表現為發射的性能，接收效果非常差； 對于ΡΖΤ_4(中功率型)，其Kp基本可以達到了“接收”型材料的要求，但壓電常數d33值偏低，組裝成的壓電換能器接收靈敏度比較低。唯有“收/發”兩用型的壓電陶瓷材料才能同時擔任“接收”和“發射”的功能。目前，關于PZT-Pb (Sv3Mnv3)體系的多元素復合摻雜改性及對其壓電性能的研究尚未見報道。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種“收/發”兩用型PZT-Pb (Sb273Mnl73)三元系壓電陶瓷材料及其制備方法。本專利技術采用如下技術方案解決上述技術問題一種“收/發”兩用型PZT-Pb (Sb273Mnl73)三元系壓電陶瓷材料，該三元系壓電陶瓷材料以鋯鈦酸鉛和銻錳酸鉛固溶體為主要成分，同時摻雜選自Si02、Sm203、Mn0dn CeO2中的至少3種添加物。較佳的，所述“收/發”兩用型PZT-Pb(^v3Mrv3)三元系壓電陶瓷材料組成為 Pb1^xMx (Zr1^yTiy) ^z (Sb273Mnl73) A+awt. % Si02+bwt. % Sm203+cwt. % Mn03+dwt. % CeO2 ；其中， M選自Sr2+和Ba2+中的一種或兩種的組合；且χ = 0. O 0. 4，y = 0. 4 0. 6，ζ = 0. Ol 0. 10，a = O 0. 2，b = 0. 02 0. 5，c = 0. 02 0. 5，d = O 0. 6 ；其中，x、y 禾口 ζ 表示摩爾比例；a、b、c和d表示質量比例。優選的，所述“收/發”兩用型PZT-Pb (Sb2/3Mn1/3)三元系壓電陶瓷材料中，當M為4Sr2+和Ba2+中兩種的組合時，Sr2+和Ba2+的摩爾比例為Sr2+ Ba2+ =1:4。進一步優選的，所述“收/發”兩用型PZT-Pb (Sb273Mnl73)三元系壓電陶瓷材料的材料組成為Pb1^xMx (Zr1^yTiy) ^z (Sb2/3Mn1/3) A+awt. % Si02+bwt. % Sm203+cwt. % Mn03+dwt. % CeO2 ；其中，M選自Sr2+和Ba2+中的一種或兩種的組合；且χ = 0. 1 0. 4，y = 0. 4 0. 6， ζ = 0. 01 0. 10，a = 0. 02 0. 2，b = 0. 02 0. 5，c = 0. 02 0. 5，d = 0. 02 0. 6。最優選的，所述“收/發”兩用型PZT-Pb (Sb273Mnl73)三元系壓電陶瓷材料的材料組成為Pb0 90Sr0 .ο2Β&ο. 08 (Zr0.53Ti0.47) 0.97 (Sb2/3Mn1/3) 0.03 03+0 . 02wt. % Si02+0. lwt. % Sm203+0. 15wt. % Mn03+0. 02wt. % CeO2。最優選的，所述“收/發”兩用型PZT-Pb (Sb273Mnl73)三元系壓電陶瓷材料的材料組成為Pb0 90Sr0 .028 !.08(Zr0.53Ti0.47) 0.98 (Sb2/3Mn1/3)0.0203+0. 04wt. % Si02+0. 12wt. % Sm203+0. 012wt. % MnO3。最優選的，所述“收/發”兩用型PZT-Pb (Sb273Mnl73)三元系壓電陶瓷材料的材料組成為Pb0 90Sr0 .028 !.08(Zr0.53Ti0.47) 0.97 (Sb2/3Mn1/3) 0.0303+0 . 06wt. % Si02+0. 14wt. % Sm203+0. lwt. % MnO3。本專利技術還提供了所述“收/發”兩用型PZT-Pb (Sb2/3Mn1/3)三元系壓電陶瓷材料的制備方法，該制備方法依次包括配料、混合、合成、細磨、成型、排塑、燒成和極化步驟，其特征在于所述混料工藝中采用瑪瑙球做介質；所述細磨工藝中采用鋼球做介質；所述燒成步驟為1260 1320°C的溫度下燒結1 池；所述極化步驟的條件為溫度120°C 180°C， 電壓3 5kV/mm，時間10 20min。較佳的，所述“收/發”兩用型PZT-Pb (Sb2/3Mn1/3)三元系壓電陶瓷材料的制備方法的具體步驟為1)配料按照所述“收/發”兩用型PZT-Pb(Sb2/3Mn1/3)三元系壓電陶瓷材料的組成計算并稱取各種元素原料進行混合后制得混合原料2)混料采用去離子水和瑪瑙球作為介質，按照混合原料瑪瑙球去離子水= 1 1.2 0.8的比例混合，經滾桶球磨混料6 IOh ；3)壓塊合成將混好的原料倒入容器放進烘箱烘干后進行壓塊，合成分兩段第一段合成600°C 750°C (較佳為650 700°C )的溫度條件下合成1 4h，第二段壓塊合成800°C 900°C (較佳為850 870°C )的溫度條件下合成1 4h ；4)粉碎細磨將步驟3)中制得的合成好的粉料粉碎后進行細磨，細磨采用去離子水和鋼球作為介質，按照原料鋼球去離子水=1 2 0.6的比例混合，經滾桶球磨12 她；5)造粒成型經滾桶球磨12 48h、出料烘干后、加粘結劑、造粒成型(成型壓力為 150MPa-200MPa)；6)排塑將成型好的樣品放在廂式電爐進行排塑，排塑程序為800°C /Ih07)密閉燒結將樣品放入氧化鋁坩堝里密閉燒結，燒結的制度是1260°C 13200C (較佳為1260 1300°C )的溫度條件下燒結1 3h ；8)冷加工將燒結好的樣品根據規格要求進行機械加工；9)超聲清洗、上電極將加工好的樣品進行超聲清洗，烘干后上銀電極，放入廂式電爐燒銀；10)極化將有電極的樣品放在硅油里，加高壓電場進行極化，其中，極化條件是 溫度為120°C 180°C (較佳為160 180°C )，電壓為3 5kv/mm，時間為10 20m本文檔來自技高網...
【技術保護點】
１．一種“收／發”兩用型ＰＺＴ－Ｐｂ（Ｓｂ２／３Ｍｎ１／３）三元系壓電陶瓷材料，該三元系壓電陶瓷材料以鋯鈦酸鉛和銻錳酸鉛固溶體為主要成分，同時摻雜選自ＳｉＯ２、Ｓｍ２Ｏ３、ＭｎＯ３和ＣｅＯ２中的至少３種添加物。
【技術特征摘要】
1.一種“收/發”兩用型PZT-Pb (Sv3Mnv3)三元系壓電陶瓷材料，該三元系壓電陶瓷材料以鋯鈦酸鉛和銻錳酸鉛固溶體為主要成分，同時摻雜選自Si02、Sm203、Mn0dn CeO2中的至少3種添加物。2.如權利要求1中所述的“收/發”兩用型PZT-Pb(Sb2/3Mn1/3)三元系壓電陶瓷材料， 其特征在于，所述三元系壓電陶瓷材料組成為所述“收/發”兩用型PZT-Pb (Sv3Mrv3)三元系壓電陶瓷材料組成為Pb1^xMx (Zr1^yTiy) ^z (Sb273Mnl73) z03+awt. % Si02+bwt. % Sm203+cwt. % Mn03+dwt. % CeO2 ； 其中，M選自Sr2+和Ba2+中的一種或兩種的組合；且χ = 0. 0 0. 4，y = 0. 4 0. 6，ζ = 0. 01 0. 10，a = 0 0. 2，b = 0. 02 0. 5，C = 0. 02 0. 5，d = 0 0. 6。3.如權利要求2中所述的“收/發”兩用型PZT-Pb(Sb2/3Mn1/3)三元系壓電陶瓷材料， 其特征在于，所述“收/發”兩用型PZT-Pb (Sb273Mnl73)三元系壓電陶瓷材料中，當M為Sr2+ 和Ba2+中兩種的組合時，Sr2+和Ba2+的摩爾比例為Sr2+ Ba2+=I 4。4.如權利要求2中所述的“收/發”兩用型PZT-Pb(Sb2/3Mn1/3)三元系壓電陶瓷材料， 其特征在于，所述“收/發”兩用型PZT-Pb(^v3Mnv3)三元系壓電陶瓷材料的材料組成為 Pb1^xMx (Zr1^yTiy) ^z (Sb273Mnl73) A+awt. % Si02+bwt. % Sm203+cwt. % Mn03+dwt. % CeO2 ；其中， M選自Sr2+和Ba2+中的一種或兩種的組合；且χ = 0. 1 0. 4，y = 0. 4 0. 6，ζ = 0. 01 0. 10，a = 0. 02 0. 2，b = 0. 02 0. 5，C = 0. 02 0. 5，d = 0. 02 0. 6。5.權利要求1 4中任一權利要求所述的“收/發”兩用型PZT-Pb(Sb2/3Mn1/3)三元系壓電陶瓷材料的制備方法，該制備方法依次包括配料、混合、合成、細...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李玉成，姚烈，董顯林，
申請(專利權)人：中國科學院上海硅酸鹽研究所，
類型：發明
國別省市：31
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