专利名称：：驱动器用含铌锑酸铅的五元系压电陶瓷材料及制备方法
技术领域：
：本发明属于材料
技术领域：
，具体涉及到用于压电器件或电致伸縮器件。
背景技术：
：压电材料是一种會辦将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。它是一种具有压电效应的材料。它可以因机械变形产生电场,也可以因电场作用产生机械变形,这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用,而且新一代的压电材料还具有斜牛反射和指令分析的能力。压电材料的这种独特功能使其在智能材料系统中具有更广阔的应用前景。近些年来，压电材料在汽车
技术领域：
中的应用也越来越多，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。其中，压电陶瓷具有响应快、制造简单、能量密度高、易于控制等特点，是制备驱动器的理想材料。其主要用于电动后视镜、电动门窗、电动座椅、制动片的驱动等。当采用压电驱动器或压电电机驱动时，可大大减小电机的体积，且具有控制精度高、不受电磁干扰、无噪声等优点；特别是,压电驱动器或压电电机可直接用于直线驱动控制，无需将旋能动转换成直线运动的转换机构。各种压电驱动器已经在智能材料结构、减震降噪系统、MEMS系统中得到了广泛地应用，尤其在智能材料结构中，其作用不可替代，常被用来实现结构的机械动作,从而改变齡智能结构的微、刚度、固有频率、阻尼辦性。因此，驱动^5开究的深入将大大促进其相关应用领域的进展。目前先进的柴油喷射技术采用电子共轨喷射系统，采用压电陶瓷驱动器取代喷油器电磁执行器，喷油嘴针阀的数量由4个减少到1个,运动质量减少75%。压电驱动器启闭速度小于万分之一秒，比电磁开关所需要的时间少50%。喷油系统的喷射压力已从160MPa提高到180MPa^并进一步将喷射压力提高到200MPa,喷射过程完全可调，可以实现任意次分段喷射，每次循环最多可实现57次分段喷射。采用这种压电控制技术的喷油器之后，具有反应灵敏、控制自由度高的优点，燃油喷射量的控制精度可大大提高，同时针阀的开启、关闭速度也大大加快，使其降低了燃油量，减少了噪音污染。驱动器的研究又依赖于驱动材料的研究,压电驱动器是在谐振状态下工作的,其振子应满足产生尽可能大的位移,要求其具有高的压电常数逸3;要获得高的转换效率，则机电耦合系数Ap要大。因此，压电驱动器必须同时具有高压电常数^和高机电耦合系数&的电性能。目前，研究工作主要集中在三元系和四元系的压电陶瓷材料上，如PMS-PZT、PMN-PZT、PZN-PMS-PZT、PNW-PMN-PZT。但研究五元系并同时获得高《3、高《p的体系尚不多见。Pb(Mg^W^)OrPb(N^Nb2/3)03-PZT体系具有优良的压电特性，Pb(Sb1/2Nb1/2)03是一类具有较高介电常数的弛豫铁电体。因此本工作旨在将PKMg^W^)03-Pb(N^NbM)03-PZT与Pb(Sb1/2Nb1/2)03复合，研究一种具有优良压电性能的新五元系压电陶瓷PbCMgwWwXVPl^SbwNb^CVPbCN^DCVPZT(PMWSN-PNN-PZl^。通过深入探讨Pb(Mgi/2W^)03含量、ZivTi比和Pb(Sb!/2Nbi/2)03含量、皿稳定14S烧结保温时间和烧结皿变iWPMWSN-PNN-PZT体系陶瓷性能的影响，从而寻找一个最佳组份和制备工艺，以制备同时具有高《3和高Ap的压电陶瓷驱动器用材料。
发明内容本发明所要解决的一个技术问题在于，一种压电性能好、实用性强、易于生产、组分多的驱动器用含铌锑酸铅的五元系压电陶瓷材料。本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种驱动器用含铌锑酸铅的五元系压电陶瓷材料的制备方法。解决上述技术问题所采用的方案是用下述通式表示的材料组成xP,g^W^)03-yPb(Sb參,y2)]03画(0.41陽X-y)P鹏/3Nb2/3P3誦Pbo.59(ZrzTio.59-z)03，式中0.005^x50.07,0￡yS0.04，0.30Sz^0.50。xP,g函/2)OryPb(Sb!y2NM]03-(0.41國x-y)Pb(Ni!/3Nb^)03-Pbo.59(ZrzlW)03通式表示的材料中，tt^i取值为0.01^x^0.04、0.006Sy^0.03、0.32^^0.41。xPb(Mgly2W1o)OryPb(Sb1々Nb1』Or(0.41-x-y)Pb(Ni1/3Nb2^O3-Pba59(ZrzIW》O3通式表示的材料中，最佳取值x为0.02、y为0.01、z为0.38。上述驱动器用含铌锑酸铅的五元系压电陶瓷材料的制备方法包括步骤如下1、配料合成按上舰式化学计量的Pb304、Zr02、TO2、Mg(OH)2.MgC03.6H20、W03、Sb205、Nb205、NiO混合，m尼龙罐中，加入无水乙醇为分散剂和氧化锆球为球磨介质,无水乙醇与原料的重量比为1:2，用球磨机球磨612小时，織为400转/分，分离氧化锆球，将混合料方^A^P燥箱内80°C、510小时烘干，再^A石iF^中研磨30分钟，过80目筛。2、预烧^W磨后的料置于氧化铝坩埚内，用玛瑙棒压实，使其松装密度达到1.5g/cm3，加盖，在电阻炉内800850。C预烧保温24小时，自然冷却到室温，出炉。3、造粒将職过的烧i細ff^研细过160目筛，加入重量浓度为5%的聚乙烯麟液和丙三醇溶液，原料与5%的聚乙烯醇溶液、丙三醇的重量比为l:0.0680.072:0.00970.013，充分搅拌，自然干燥，过120目的筛，制成球状粉粒。4、压片将造粒后的粉料MA直径为15mm的不锈钢模具内，在100Mpa压力下压成1.5腿的圆柱状坯件。5、排胶将坯件放入电阻炉内，50(TC保温1小时进行有机物排除。6、烧结糊敝坯vf牛^Aft化铝埘埚内，^h氧化铝鹏識行密封，升^M25。C/分钟，在11201200'C保温16小时，随炉自然冷却到室温。7、烧银将烧结好的陶瓷表面打磨，抛光至0..81.2腿厚，用功率为100w的超声波清洗机、频率为50kHz的超声波清洗30分钟，烘箱内80°C烘干，在其上下表面涂覆厚度为0.010.03mm的银浆，置于电阻炉中850。C保温30辦中，自然冷却至室温。8、极化将烧好银的试样置于甲基硅油中加热至120180°C，施加3kV/mm5kV/mm的直流高压，持续1530分钟，制备成压电陶瓷。9、测试压电性能极化完测试片，室温下静置24小时后测试压电性能。在本发明的烧结工艺步骤6中，将排胶坯件放入氧化铝坩埚内，盖上氧化铝坩埚盖进行密封，升鹏度25。C/辦中，雌在11501200。C保温25小时，随炉自然冷却到室温。在本发明的极^X艺步骤8中，将烧好银的试样置于甲基硅油中,加热至120160。C，施加3kV/mm4kV/mm的直流高压，持续2030iHt，制备成压电陶瓷。在本发明的烧结工艺步骤6中，将排胶坯件駄氧化铝坩埚内，盖上氧化铝坩埚盖进行密封，升鹏度25。C/，，最佳在1180。C保温4小时，随炉自然7物到室温。在本发明的极化工艺步骤8中，将烧好银的试样置于甲基硅油中最佳加热至120'C，施加3.5kV/mm的直流高压，持续25分钟，制备成压电陶瓷。本发明经大量的研究实验，结果表明，工艺步骤简单、重复啦子、成品率高，所制备驱动器用含铌锑酸铅的五元系压电陶瓷材料的电性能与文献报道的同类陶瓷材料相比，介电损耗明显降低，压电常数d33和平面机电耦合系数Kp明显提高，压电常数为600850pC/N、机电耦合系数为0.550.75、室温相对介电常数为35005000。本发明压电陶瓷可用于制备汽车内置的振动传感器、控制器的壳体、动态燃料注射喷嘴、大功率超声器件、高温高频振动计、高温流量计、耐高温分蜂鸣器以及高温传感器等器件的高温压电陶瓷材料。图l是118(TC烧结4小时不同Pb(Mg^W^)03含量陶瓷的X射线图谱。图2是1180。C烧结4小时不同Pb(Mg^W^)03含量陶瓷断面的扫描电镜照片。图3是1180。C烧结的不同保温时间陶瓷的X射线图谱。图4是1180。C烧结的不同保温时间陶瓷断面的扫描电镜照片。图5是1180。C烧结4小时不同Zr/Ti比含量陶瓷的X射线图谱。图6是1180。C烧结4小时不同Zr/Ti比含量陶瓷断面的扫描电镜照片。图7是1150。C烧结4小时不同Pb(Sbi/2Nbi/2)03含量陶瓷的X射线图谱。图8是1150。C烧结4小时不同Pb(Sb^Nb^)03含量陶瓷断面的扫描电镜照片。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于这些实施例。实施例l以生产本发明产品所用原料100g为例，x为0.02、y为O.Ol、z为0,38时，用通式0.02Pb(Mg^Ww)O3-0.01Pb(Sbv2Nt^)Or0.38Pb(Nh/3Nb2/3)OrPb().59(Zra38Ti(^)O3表示的原料及其重量配比为Pb30467.22gZi0213.77gTi024.93gMg(OH)2.MgC03.6H200.3gW030,68gSb2050.22gNb20510.10gMO2.78g其制备方法如下1、配料合成按上i^ffl式化学计量的Pb304、Zr02、Ti02、Mg(OH)2'MgC03'6H20、W03、Sb205、Nb2Os、NiO混合，^A尼龙罐中，加入^7jC乙醇50g为分散剂和氧化锆球为球磨介质，用球磨机球磨612小时，魏为400转/分，分离氧化锆球，将混合料方^A千燥箱内80。C、510小时烘干，再方i(A研钵中研磨30分钟，过80目筛。2、预烧舰磨后的料置于氧化铝坩埚内，用玛瑙棒压实，使其松装密度达到1.5g/cm3,加盖，在电阻炉内80(TC预烧保温3小时，自然冷却到室温，出炉。3、造粒将予鹏过的烧块用石if^研细过160目筛，加入重量浓度为5%的聚乙烯醇溶液7g和丙三,液lg，原料与5%的聚乙烯醇溶液、丙三醇的重量比为l:0.7:0.01,充分搅拌，自然干燥，过120目的筛，制成球状粉粒。4、压片将造粒后的粉料方J(A直径为15mm的不锈钢模具内，在100Mpa压力下压成1.5mm的圆柱状坯件。5、排胶将坯件放入电阻炉内，50(TC保温1小B寸进行有机物排除。6、烧结将排胶坯件放入氧化铝坩埚内，盖上氧化铝坩埚盖进行密封，升温速度4'C/分钟，在1180。C保温4小时，随炉自然冷却到室温。7、烧银将烧结好的陶瓷表面打磨，抛光至0.81.2腿厚，用功率为100w的超声波清洗机、频率为50kHz的超声波清洗30分钟，烘箱内80。C烘干，在其上下表面涂覆厚度为0.010.03mm的银浆，置于电阻炉中85(TC保温30^H中，自然冷却至室温。8、极化将烧好银的试样置于甲基硅油中加热至120°C，施力卩3.5kV/mm的直流高压，持续25分钟，制备成压电陶瓷。9、测试压电性能室温下静置24小时后测试压电性能。实施例2以生产本发明产品所用原料100g为例，x为0.005、y为0、z为0.30时，用通式0.005Pb(Mg1/2W1/2)O3-0.405Pb(N^Nb^)O3-Pbo.59(Zro.3oTio.29)03表示的原料及其重量配比为Pb30464,66gZr0210.46gTi026.56gMg(OH>2MgC03.6H200.07gW030.16gSb205OgNb20515.23gMO2.86g其制备方法如下将原料^A尼龙罐中，加入^7K乙醇50g为分散剂，氧化锆球为球磨介质，该工艺步骤的其它步骤与实施例1相同。在臓工艺步骤2中，>|^开磨后的料置于氧化铝柑埚内，用玛瑙棒压实，使其松装密度达到1.5g/cm3,加盖，在电阻炉内82(TC予鹏保温4小时，自然冷却到室温，出炉。在造粒工艺步骤3中，将予鹏过的烧±央用石脚研细过160目筛，加入重量浓度为5%的聚乙烯醇溶液6.8g和丙三醇溶液0.97g，原料与5%的聚乙烯醇溶液、丙三醇的重量比为1:0.068:0.0097，充分搅拌，自然千燥，过120目的筛，制成球状粉粒。在烧结工艺步骤6中，将排胶坯件^A氧化铝坩埚内，盖上氧化铝柑埚盖进行密封，升温速度2。C/射中，在1180。C保温6小时，随炉自然冷却到室温。在极^X艺步骤8中，将烧鄉的辦置于甲基硅油中加热至120。C，施加5kV/mm的直流高压，持续15，，制备自电陶瓷。其它工艺步骤与实施例1相同。实施例3以生产本发明产品所用原料100g为例，x为0.07、y为0.04、z为0.50时，用通式示的原料及其重量配比为Pb30468.16gZr0218.37gTi022.14gMg(OH)2.MgC03.6H201.05gwo32.42gSbA0.87gNb2Os4.76gNiO2.23g其制备方法如下:将原料^A尼龙罐中，加入无水乙醇50g为分散剂，为球磨介质，该工艺步骤的其它步骤与实施例1相同。在预烧工艺步骤2中，^flif磨后的料置于氧化铝坩埚内，用玛瑙棒压实，使其松装密度达到1.5g/cm3,加盖，在电阻炉内850'C!1^保温2小时，自然7物到室温，出炉。在造f扛艺步骤3中，将鹏过的烧i細石j^研细过160目筛，加入重量浓度为5%的聚乙烯醇溶液7々和丙三醇溶液1.38，原料与5%的聚乙烯醇溶液、丙三醇的重量比为l:0.072:0.013，充分搅拌，自然干燥，过120目的筛，制成球状粉粒。在烧结工艺步骤6中，纟糊P胶坯件^A氧化铝坩埚内，盖上氧化铝埘埚盖进行密封，升温速度5。C/分钟，在1200。C保温1小时，随炉自然冷却到室温。在极化工艺步骤8中，将烧好银的试样置于甲基硅油中加热至180°C，施加3kV/mm的直流高压，持续30餅，制备鹏电陶瓷。其它工艺步骤与实施例1相同。实施例4以生产本发明产品所用原料100g为例，x为O.Ol、y为0.006、z为0.32时，用通式0.0^13(\%1(2\^)03-0.0061)(81^1^1/2)03-0.39415(1^1/3>1)2/3)03-130.59(&0.32110..27)03表示的原料及其重量配比为Pb30467.86gZr02H.71gTiQ26.40gMg(OH)2.MgC03.6H200.15gW030.34gSb2050.13gNb20510.50gMO2.91g其制备方法如下在烧结工艺步骤6中，将排胶坯件^A氧化铝坩埚内，盖上氧化铝坩埚盖进行密封，升鹏度5"C/分钟，在112(TC保温4小时，随炉自然冷却到室温。其它工艺步骤与实施例1相同。实施例5以生产本发明产品所用原料100g为例，x为0.04、y为0.03、z为0.41时，用通式0.04Pb(MgwW^)Or0.03Pb(Sb^M^)O3-0.34Pb(N^Nb^)OrPb().59(Zr(^Tl(U8)O3表示的原料及其重量配比为Pb30466.65gZr0214.73gTi024.19gMg(OH)2.MgC03.6H200.59gW031.35gSb2050.64gNb2059.38gNiO2.47g其制备方法与实施例1相同。为了确定本发明的最佳配比以及最佳工艺步骤，发明AiS行了大量的实验室研究实验，各种实验情况如下测试仪器精密LCR电桥测试仪，型号为HP4294A，由安捷伦禾根有限公司生产；准静态d33测试仪，由中国科学院声学研究所生产；精密阻fe分析仪，型号为HP4294A，由安捷伦禾4K有限公司生产；X射线衍射仪，型号为D/max-2200，由日本理学公司生产；扫描电镜型号为Quanta200，由荷兰菲利浦FEI公司生产。1、Pb(Mg^W^)03含量对陶瓷电性能的影响将原料置^f^燥箱内120。C干燥5小时，按通式xPb(Mg1/2W1/2)O3-(0.41-x)Pb(Ni!/3Nb2/3P3-Pbo.59(Zro.38Tla2003进行配料，式中z为(X38,X分别为0.01、0.02、0.04、0.06，湿法球磨12小时，出料，湿料烘干后在800。C下予鹏2小时。予鹏后的粉條相同^f牛下进行二次球磨30颁，出料，S0。C、8小时烘干，用石脚磨20储过120目筛，添加重量浓度为5%的聚乙烯醇造粒，添加量为预烧粉料重量的7%,将造粒后的料用模具压戯径为15i0.05mm、厚度为1.5±0.02画的圆片，在100Mpa压力下糊压制成型，500°C保温1小时进行排胶，升鹏度1.5。C/分沐1120120(TC于铅保护气氛中保温16小B寸，随炉自然冷却到室温。将烧结的陶瓷圆片打磨抛光至直径为13.5mm、厚度为1.2mm，用超声波清洗、8(TC烘干，在两面涂覆银浆，于85(TC烧渗银电极30分钟。然后将烧过电极的试样置于120°C的硅油中以3kV/mm5kV/mm的直流高压极化30分钟，得至lj压电陶瓷成品。于室温下静置24小时后测TO电性能。然后将烧过电极的，进行电容和介电损耗tanS测试。通过下式计算介电常数<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>式中，t为陶瓷片的厚度，8b为真空介电常数8.85xlO"2F/m)，d为陶瓷片的直径。用准静态测试仪测量压电陶瓷的压电常数^3。采用阿基米德法测定陶瓷样品的密度/Kg/cm3)。具体方法为将样品清洗干净，方从恒温千燥箱内，烘干后取出用麟勒-托利多电子天平称出样品在空气中质量A(单位为g)，然后将样品^A水中煮沸40分钟，再浸泡510，之后称出样品在蒸馏水中的质量B(单位为g)。根据以下公式计算其体积密度。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>式中A为待测固條空气中质量，B为待测固粘辅助液体水中质量，po为辅助液体密度，户L为空气密度(0.0012g/cm3)。在安捷伦HP4294AJ^SfiH皆振反谐振测试，得至隨振频斜口反谐振频率，按(3)式计算平面机电耦合系数Kp，按(4)式计算机械品质因素Qm:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(4)式中，/为谐振频率，X为反谐振频率，r为谐振电阻，cT为lkHZ下離的静态电容量c测试和计算结果见表l。表1不同烧结温度下Pb(Mg1/2W1/2)03含量对陶瓷电性能的影响<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>由表1可见，当x为0.005^0.07所制备的压电陶瓷的性能辙f,其中x为0.02时，在118(TC保温4小时所制备压电陶瓷的各项性能最佳。由表1可见，z为0.38，Pb(Mgly2W1/2)03^0.01~0.06mol、'J^^为11501200°C、保温4小时，Pb(Mg1/2W1/2)03^*的增加，所制备的压电陶瓷的密度、压电常数&、平面机电耦合系数^p和介电常数&均呈现先增加后减小的趋势，但机械品质因数Gn和损耗tan^呈现先减小后增加的趋势。对相同Pb(Mg1/2W1/2)03含量不同烧结驢审U备的压电陶瓷，随着烧结的升高，密度、压电常数&、平面机电耦合系数《p和介电常数&均呈现先增加后减小的趋势；随着烧结温度升高gm和损耗tan3呈现先减小后增加的趋势。z为0.38、Pb(Mgi。W^)03含量为0.01MX06mol，118(TC烧结4小时戶賴ij备的压电陶瓷的X射线图谱见图1。由图1可见，所有组份都为纯转钛矿相结构，没有恶化性能的焦绿石相和第二相杂相的出现。并且，由20为43e47。处的单峰(200)r可以说明，该材料体系为菱方相结构。z为0.38、Pb(Mg^W^)03含量为0.01^0.06mol，118(TC烧结4小时戶賴!j备的压电陶瓷断面的电子扫描电镜照片见图2。在图2中，图2a是118(TC烧结Pb(Mg^W^)O3含量为0.01mol的压电陶^面的电子扫描电镜照片，图2b是118(TC烧结Pb(Mg^W^)03含量为0.02md的压电陶瓷顿的电子扫描电镜照片，图2c是118(TC烧结Pb(MgwWw)03含量为0.04mol的压电陶瓷断面的电子扫描电镜照片，图2d是118(TC烧结Pb(Mg^W^)03含量为0.06mol的压电陶瓷断面的电子扫描电镜照片。由图2可见，当体系中含少量Pb(Mg^W^)03时，压电陶瓷不致密，晶粒不均匀，并且气孔较多；随着Pb(Mg^W^P3含量的增加，体系的晶界清晰，颗粒饱满，晶粒生长均匀，见图2b;并且Pb(Mgv2W^)03含量越多，压电陶瓷气孑L越多，晶粒大小不一。2、保温时间对陶瓷电性能的影响按通式O^PbCMgi/zW^PrOWPKN^Nb^CVPbo.59(Zr。.38Tio21)03进行配料，实验方法与实验1相同，保温时间16小时。然后将烧过电极的辦测试电容禾口介电损耗tanS。用准静态测试仪测量压电陶瓷成品的压电常数逸3，按公式(1)计算介电常数s,，按公式(2)计算密度，按公式(3)式计算平面机电耦合系数Kp，按公式(4)式计算机械品质因素On。测试和计算结果见表2。表2118(TC不同保温时间对烧结陶瓷电性能的影响烧结ag保温时间/jd33&(。C)(h)(g/cm3)(pC/N)1180123467.087.657.707.817.805600.606190.66704.0.627900.69778'0.642m189134893338tan<5(xlO,0.03620.03000.02850.01720.018117182637392144044398由表2可见，当保温时间大于4小时时，^性能^H圭。由表2可见，z为0.38、x为0.02，^^鹏为1180。C，保温时间为16小时，所制备的压电陶瓷的各项性能指标较好，随着保温时间增加，所制备的压电陶瓷的密度、压电常数逸3、平面机电耦合系数Ap和介电常数&均呈现先增加后减小的趋势，但机械品质因数On和损耗tan3呈现先减小后增加的趋势。当保温时间大于或等于4小时时，压电陶瓷均有较好的密度、压电常数J33、平面机电耦合系数&、介电常数&、On和损耗tan^其中当x为0.02时，在1180°C保温4小时的压电陶瓷的各项性能最佳。z为0.38，x为0.02，1180。C不同保温时间所制备的压电陶瓷的X射线图谱见图3。由图3可见，当保温时间大于或等于4小时时，由20为43e47c处的单峰(200)R可以说明，该材料体系为菱方相结构。z为0.38，x为0.02，1180。C不同保温时间所制备的压电陶瓷断面的电子扫描电镜照片见图4。在图4中，图4a是118(TC保温1小时的压电陶瓷,的电子扫描电镜照片，图4b是118(TC保温2小时的压电陶mS的电子扫描电镜照片，图4c是118(TC保温3小时的压电陶mM的电子扫描电镜照片，图4d是118(TC保温4小时的压电陶面的电子扫描电镜照片，图4e是U80。C保温6小时的压电陶瓷的电子扫描电镜照片。由图4可见，当陶瓷保温时间低于4小时时，陶瓷不致密，晶粒不均匀，并且气孔较多；随着保温时间的增加，体系的晶界清晰，颗粒饱满，晶粒生长均匀，见图4d。以上实验结果表明保温时间为温时间为16小时，戶賴恪的压电陶瓷的各项性能指标较好，本发明选择温时间为16小时。3、Zr/Ti(Z/0.59-Z)比变4W压电陶瓷电性能的影响按0.02Pb(Mg^2W1/2)03"0.01Pb(Sb1/2Nb1/2)Or0.38Pb(Ni1/3Nb2/3)QrPbo.59(ZrzTio.5^)Q3iKa行配料，实验方法与实验l相同，保温4小时，将皿电极的试样测试电容和介电损耗tan5。用准静态测试仪测量压电陶瓷成品的压电常数《3，按公式(1)计算介电常数sr，按公式(2)计算密度，按公式(3)计算平面机电耦合系数Kp，按公式(4)计算机械品质因素Qm。测试和计算结果见表3。表3不同M^下zt/n比变化的陶瓷的电性能烧结温度Zr/Ti《3Ontaiu5(。c)(g/cm3)(pC/N)(xl(X4)30/297.653190.443560.025999832/277.693260.483220.0233103936/237.765770.591960扁32441115038/217.827050.601540扁0318741/187.716830.541710.0211245347/127.673500.502770.0232128850/97.613380.482890.0264115530/297.71300.0.422550.0239176832/277.763090.462310.0226182636/237.796110.611890.02242795腦38/217.867640.701430磨8360441/187.786730.501600.0238254647/127.685230.472650週3245550/97.61柳0.412880.0275181230/297.553570.511910.0213167232/277.573630.551800扁3177736/237.735860.581620.01932898120038/217.756830.651500.0172359441/187.673770.501700細0338447/127.603290.451930.0269237350/97.562990.392030.02872219由表3可见，当x为0.02、y为0.010,ZryTi比含量为30/2950/9，即0,302^0.50时，烧结温度为11501200。C烧结4小时，在同一温度下烧结的压电陶瓷，Zr/Ti比从32/27增加到38/21时，压电陶瓷的^3迅速增加；Zr/Ti比为38/21时，压电常数《3达到最大值，其最大值为764pC/N，随着Zr/Ti比从38/21增加到47/12时，^直线减小。密度、平面机电耦合系数《p、介电常数(、)与压电常数^随Zrm比变化趋势基本相同。对同一组分而言，随烧结温度的增加，密度、Ap、《3和、都呈现先增加后减小的趋势。当烧结温度为U80。C、Zr/Ti为38/21时，它们同时达到最大值。On和tan3随Zr/Ti比的变化趋势基本与《3相反。当烧结温度为1180°C、Zr/Ti为38/21时，0和tan(5同时获得最小值，分别为143和0.0198。x为0.02，y为0.010，Zr/Ti比M为32/2741/18，1180。C烧结4小时所制备陶瓷的X射线图谱见图5。由图5可见，当Zr/Ti比位于32/2736/23时，由45°附近的单峰(002)R可以说明体系均为菱方相结构。当Zr/Ti比位于38/2147/12时，单峰(002)R逐渐减小，逐渐变为分裂峰(002)r和(200)r的趋势，并且峰强增加，说明该体系从菱方相过渡到四方相。x为0.02，y为0.010，Zr/Ti比含量为32/2741/18，1180。C烧结4小时所制备压电陶瓷的电子扫描显微电镜照片见图6。在图6中，图6a是1180°C烧结的Zr/Ti比为32/27压电陶瓷的电子扫描电镜照片，图6b是1180°C烧结的Zr/Ti比为36/23压电陶瓷的电子扫描电镜照片，图6c是1180°C烧结的Zr/Ti比为38/21压电陶瓷的电子扫描电镜照片，图6d是1180'C烧结的Zr/Ti比为41/18压电陶瓷的电子扫描电镜照片，图6e是1180。C烧结的Zr/Ti比为47/12压电陶瓷的电子扫描电镜照片。从图6可见，随着Zr/n比的增加，样品的平均粒径先增大后减小。当Zr/Tl比为32/27时，压电陶瓷的晶粒不够饱满，大小不均匀，且烧结不够致密，晶粒平均尺寸为3.5Mm。当Zr/n比为38/21时，晶界清晰，气L少，致密性好，晶粒的平均尺寸增加为3.1Mm，继難加Zr/Ti比时，晶粒分布不均匀，晶粒的平均尺寸增加至6.9^m。由以上的结果可见，z为038时，所制备的压电陶瓷的性能最佳。4、Pb(Sb^Nt^)03含量对压电陶瓷电性能的影响按0.02P,g函。)03-yPb(Sbi美/2A"(0.39-y)Pb(Nii/3Nb^)QrPbo.59(ZiWri(^)03通式配料，实验方法与实验l相同，烧结保温时间4小时，将烧过电极的压电陶瓷测试电容和介电损耗tanS。用准静态测试仪测量压电陶瓷成品的压电常数《3，按公式(1)计算介电常数&，按公式(2)计算密度，按公式(3)计算平面机电耦合系数Kp，按公式(4)计算机械品质因素On。测试和计算结果见表4。表4不同烧结温度下不同Pb(Sb1/2Nb1/2)03含量的陶瓷的电性能烧结温度掺杂量POntan3(。c)(mol)(g/cm3)(PC/N)(xlO勺0細7.596260.58610.020939100.0067.77655，0.65520.0218421811200細7.827070.69460.023743140.0157.706830.64490.020141510扁7.656500.60530.019841280.0407.626440.57590.022139810扁7.667310.61490.021641180.0067.798110.70450.0223470911500細7.868330.72420.024348430.0157.727920.67470.023846020扁7.687430.64530.022442520扁7.617110.61580.025641690細7.576220.55600.020341100遍7.646340.59560.0225432012000細7.756900.64490細046280.0157.676640.61570.018945880.0307.606370.59610.017340130扁7.576190.53680.01683987由表4可见，随着Pb(SbmM^)03含量的增加，压电陶瓷的密度呈先增加后下降的趋势，含量为0.010即y为0.010时，压电陶瓷的密度达最大，为7.86g/cm3(是理论密度的98%)，賴小于0.010时，随Pb(Sb^2Nb^Q3賴的增加，压电陶瓷的压电常数43^I增加，賴为0.010时j&S大值，之后压电常数d33随Pb(Sb!/2Nb^A含量的增加M^KQ^.04时戶熵恪的压鹏瓷的性倉,，本发明離y为0^0.04。5、测试温度稳定性按0.02PbCMg^Ww)Or0.01Pb(Sb^Nl^)Qr0.38Pb(N^N^3)Cb-Pba59(ZrWri02003通式配料，实验方法与实验l相同，烧结保温时间4小时，将烧过电极的试样在-2012(TC测试电容和介电损耗tanS。按公式(1)计算介电常数&，按公式(3)计算平面机电耦合系数Kp，按公式(4)计1械品质因素0。按公式(5)计算谐振频率温度稳定性，按公式(6)计算平面机电耦合系数皿稳定性，按公式(7)计算容量温度稳定性，按公式(8)计算机械品质因数温度稳定性。表达式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>式中,为-20~120°C时的谐振频率，A,为频率差c<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>(6)式中《P为-2(M20。C时的平面机电耦合系数，A《p为平面机电耦合系数差。AC/C(25°C)=C-C(25°C)xl00%(7)C(25。C)式中C为-2(K120。C时的容量，厶C为容量差。A化/gm(25。C)=gm。》5:C)x100%(8)式中On为-2(M20°C时的机^品质因数，AOn为机械品质因数。计算结果见表表5115(TC烧结不同Pb(Sb^Nb^)03含量的陶瓷的温度稳定性<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>从表5中可以看出，随着Pb(Sb^M^)03含量的增加，容量鹏特性、频率温度特性(4^25。c)、机电耦合系ir皿特性(z/i:/^p25r)和机械品质因数、皿特性(」0/0^。c)的乡树值先降低后增加。对于同一组分，随着離的增加，ZlC/C25。C、4/^mc、^:/《p25。c、」a/G^。c的绝对值呈先较小后增加的趋势。当Pb(Sb^Nb^)O3含量为0.10mol时，在不同温度的』C/C25.c、Z/^25.C、Z^jAp25。c、ZOr/On25。c获得最佳值，未含有Pb(Sb1/2Nb1/2)03压电陶瓷的温度稳定性见表6。表6118(TC烧结0molPb(Sb1/2Nb1/2)03含量的压电陶瓷的iM稳定性<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>由表5、表6可见，当含有0.010molPb(Sb^M^)03、在115(TC烧结的压电陶瓷的鹏稳定性与未含有Pb(Sb^M^)03、在118(TC烧结的陶瓷相比，115(TC烧结含有0.010的Pb(Sb1/2Nb1/2)03陶瓷的温度稳定性最佳。x为0.02、Zr/Ti比为38/21(z为0.38)、y为0.00~0.030，1150。C烧结4小时的不同Pb(Sb1/2Nb1/2)03含量压电陶瓷的X射线图谱见图7。由图7可见，所有组分都为纯铐钛矿相结构，当y从0.00到0.010时，没有恶化性能的焦绿石相和第二相杂相的出现；2e为43。47。处的分裂峰(002)r和(200)r逐渐合并为单峰(002)R，说明该体系从四方相过渡到菱方相。x为0.02、Zr/Ti比为38/21(z为0.38)、y为0.000~0.030，1150。C烧结4小时的不同PKSb^Nb!/2)03^i压电陶瓷断面的电子扫描电镜照片见图8。在图8中，图8a是1150T烧结的0.000molPKSb^Nt^)03含量压电陶瓷断面的电子扫描电镜照片，图8b是1150。C烧结的0.006molPb(Sb^N^/2P3含量压电陶瓷断面的电子扫描电镜照片，图8c是1150aC烧结的0.010molPb(Sb^Nb^)03含量压电陶瓷断面的电子扫描电镜照片，图8d是1150。C烧结的0.015molPb(Sb^Nb^)03含量压电陶瓷断面的电子扫描电镜照片，图8e是1150°C烧结的0.030molPb(Sb^Nb^)03含量压电陶瓷断面的电子扫描电镜照片。从图8可以看见，未含有Pb(Sb^Nb^)03的压电陶瓷，其晶粒细小，晶粒尺寸约为0.902.10邦左右，晶粒之间的气L较多，压电陶瓷致密性差，晶界不清晰;随着Pb(Sb^Nb^)03含量的增加，压电陶瓷的晶粒逐渐变大，Pb(Sb^NbJ03含量为0.0060.010mol时，晶粒尺寸约为1.62.0pm，晶粒比较均匀，晶界清晰，致密性好。但Pb(Sb^Nbv2)03含量超过0.010mol时，压电陶瓷的晶粒逐渐减小。权利要求1、一种驱动器用含铌锑酸铅的五元系压电陶瓷材料，其特征在于用通式xPb(Mg1/2W1/2)O3-yPb(Sb1/2Nb1/2)]O3-(0.41-x-y)Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb0.59(ZrzTi0·59-z)O3表示的材料组成，式中0.005≤x≤0.07，0≤y≤0.04，0.30≤z≤0.50。2、按照权利要求1所述的驱动器用含铌锑酸铅的五元系压电陶瓷材料，其特征在于在通式xPbCMg^Wv^OryPbKSb^M^^OHO^l-x-^PKN^Nb^XVPbo.59(ZrJlo.妙z)03表示的材料中，其中0.01，.04，0.006^0.03，0.32，.41。3、按照权利要求1阮述的驱动器用含铌锑酸铅的5^;系压电陶瓷材料，其特征在于在通式xPbCMg^W^XVyPKSb^N^^OHCMl-x-WPbCN^DCVPba59(ZrzTio.59.z)03表示的材料中，其中x为0.02、y为0.01、z为0.38。4、一种制备权利要求1所述的驱动器用含铌锑酸铅的五元系压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于它包括下述步骤(1)配料合成按上舰式化学it4的Pb304、Zr02、T102、Mg(OH)2.MgC03.6H20、W03、Sb205、Nb205、NiO混合，^A尼龙罐中，加入无水乙醇为分散剂和氧化锆球为球磨介质，^7jC乙醇与原料的重量比为1:2，用球磨机球磨612小时，繊为400转/分，分离氧化锆球，将混合料放入^P燥箱内8(TC、510小时烘干，再^A石，中研磨30分钟，过80目筛；(2)预烧糊开磨后的料置于氧化铝坩埚内，用玛瑙棒压实，使其松装密度达到1.5g/cm3,加盖，在电阻炉内80085(TC预烧保温24小时，自然冷却到室温，出炉；(3)造粒将，过的烧i，ff^研细过160目筛，加入重量浓度为5%的聚乙烯,液和丙三醇溶液，原料与5%的聚乙烯醇溶液、丙三醇的重量比为l:0.0680.072:0.00970.013，充分搅拌，自然干燥，过120目的筛，制成球状粉粒；(4)压片'将造粒后的粉料方M直径为15mm的不锈钢模具内，在100Mpa压力下压成1.5mm的圆柱状坯fh(5)排胶将坯件放入电阻炉内，50(TC保温1小时进行有机物排除；(6)烧结糊服坯件mA氧化铝柑埚内，盖上氧化铝坩埚盖进行密封，升鹏度25。C/分钟，在11201200。C保温16小时，随炉自然冷却到室温；(7)烧银将烧结好的陶瓷表面打磨，抛光至0.81.2画厚，用功率为100w的超声波清洗机、频率为50kHz的超声波清洗30分钟，烘箱内80。C烘干，在其上下表面涂覆厚度为0.010.03mm的银浆，置于电阻炉中85(TC保温30，，自然冷却至室温；(8)极化将烧，的试样置于甲基硅油中加热至120180°C，施力卩3kV/mm5kV/mm的直流高压，持续1530分钟，制备成压电陶瓷。5、按照权利要求4所述的驱动器用含鹏弟酸铅的五元系压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于在烧结工艺步骤(6)中，将排胶坯件駄氧化铝坩埚内，盖上氧化铝坩埚盖进行密封，升温速度25。C/，，其中在11501200。C保温25小时，随炉自然冷却到室温；在极化工艺步骤(8)中，将烧好银的试样置于甲基硅油中其中加热至120160"C，施加3kV/mm4kV/mm的直流高压，持续2030分钟，制备成压电陶瓷。、6、按照权利要求4所述的驱动器用含铌锑酸铅的五元系压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于在烧结工艺步骤(6)中，将排胶坯件放入氧化铝坩埚内，盖上氧化铝坩埚盖进行密封，升鹏度25。C/^H中，其中在118(TC保温4小时，随炉自然冷却到室温；在极化工艺步骤(8)中，将烧好银的试样置于甲基硅油中其中加热至12(TC，施加3.5kV/mm的直流高压，持续25分钟，制备成压电陶瓷。全文摘要一种驱动器用含铌锑酸铅的五元系压电陶瓷材料，用通式xPb(Mg<sub>1/2</sub>W<sub>1/2</sub>)O<sub>3</sub>-yPb(Sb<sub>1/2</sub>Nb<sub>1/2</sub>)]O<sub>3</sub>-(0.41-x-y)Pb(Ni<sub>1/3</sub>Nb<sub>2/3</sub>)O<sub>3</sub>-Pb<sub>0.59</sub>(Zr<sub>z</sub>Ti<sub>0.59-z</sub>)O<sub>3</sub>表示的材料组成，式中0.005≤x≤0.07，0≤y≤0.04，0.30≤z≤0.50。其制备方法包括配料合成、预烧、造粒、压片、排胶、烧结、烧银、极化工艺步骤，工艺步骤简单、重复性好、成品率高。采用本发明制备的压电陶瓷经测试，压电常数为600～850pC/N、机电耦合系数为0.55～0.75、室温相对介电常数为3500～5000。本发明压电陶瓷材料可用于制备汽车内置的振动传感器、控制器壳体、动态燃料注射喷嘴、大功率超声器件、高温高频振动计、高温流量计、耐高温分蜂鸣器、高温传感器、驱动器等器件。文档编号H01L41/24GK101302105SQ20081015017公开日2008年11月12日申请日期2008年6月30日优先权日2008年6月30日发明者晁小练,杨祖培申请人:陕西师范大学