一种高压电系数的PMNZT基压电陶瓷及其制备方法和应用与流程

本发明属于压电陶瓷，特别涉及一种高压电系数的pmnzt基压电陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术：

1、压电陶瓷是具有机械能和电能之间相互转换的一种功能陶瓷材料，被广泛应用于传感器、驱动器、变压器和换能器等领域。在压电陶瓷体系中，目前应用最广的体系为锆钛酸铅压电陶瓷，锆钛酸铅陶瓷是锆酸铅和钛酸铅组成的固溶体陶瓷材料，在商用压电陶瓷体系中，压电性能较为优异的组分为pzt5系列陶瓷，其压电系数d33为500-800pc/n。随着电子元器件的快速发展，高精密传感器和驱动器等领域对压电陶瓷的性能提出更高的要求，急需压电系数大于800pc/n的高性能压电陶瓷材料，传统的锆钛酸铅陶瓷显然已经不能满足各种应用条件对材料提出的性能要求。因此，开发具有更高介电和压电性能的压电陶瓷材料是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种高压电系数的pmnzt基压电陶瓷，具有高介电和高压电性能，其中压电系数d33高达1040pc/n，逆压电系数d33*高达1310pm/v，介电常数ε33为4530-6460，介电损耗tanδ＜0.03。

2、本发明的第一方面提供一种高压电系数的pmnzt基压电陶瓷，所述高压电系数的pmn zt基压电陶瓷的化学通式为：pb(1-y)lny(mg1/3nb2/3)(0.85-x)zr0.15tixo3，其中0.31≤x≤0.34，0.02≤y≤0.025，x、y均表示摩尔分数，ln为nd和eu元素中的一种或两种。

3、本发明提供的一种高压电系数的pmnzt基压电陶瓷，基于pmnzt(铌镁酸铅-锆酸铅-钛酸铅)三元体系，相对于二元体系来说，三元固溶体系可以降低材料的自由能，从而降低最低共熔点，在宏观上表现为烧结温度的降低，有利于促进烧结的进行和减少烧结过程中铅离子的挥发；同时，在微观形貌上也有利于抑制局部晶粒的过度长大，形成均匀的致密形貌，有利于提高陶瓷的机械强度。此外，本发明采用的pmnzt三元体系可以综合各组分的优势，在准同型相界附近具有丰富的可调性，通过调节三元陶瓷的组分，可以获得三方相和四方相共存的准同型相界，在准同型相界附近存在多种铁电畴共存的状态，多种铁电畴之间的能量势垒较小，更有利于推动铁电畴的极化翻转，从而获得高的介电和压电性能；相比其他三元体系铅基压电陶瓷在a位掺杂后的压电性能提升并不明显，因为三元体系的组分含量变化还有掺杂离子的浓度都对性能产生很大的影响。本发明还通过在a位引入比pb离子半径略小的三价离子，引起晶格畸变，增强陶瓷的弛豫特征，从而获得更高的介电和压电性能。

4、本发明的第二方面提供本发明所述高压电系数的pmnzt基压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

5、1)按照mgnb2o6的化学计量比，将(mgco3)4·mg(oh)2·xh2o和nb2o5进行混合，球磨，干燥，煅烧，得到前驱体mgnb2o6；

6、2)按照所述化学通式的化学计量比，将pbo、tio2、zro2、ln2o3和所述前驱体mgnb2o6进行混合，球磨，得到浆料a；

7、3)将所述浆料a进行干燥，研磨，预烧，得到预烧粉体；

8、4)将有机粘结剂和所述预烧粉体进行混合，球磨，得到浆料b；

9、5)将所述浆料b进行干燥，研磨，过筛后压制成型，得到陶瓷生坯；

10、6)将所述陶瓷生坯进行排胶去除有机粘结剂，再进行高温烧结，得到烧结陶瓷；

11、7)将所述烧结陶瓷进行抛光，然后将抛光后的烧结陶瓷的两侧表面进行被银，高压极化，得到所述高压电系数的pmnzt基压电陶瓷。

12、优选地，步骤1)中所述煅烧的温度为1100-1200℃，煅烧的时间为2-6h。

13、优选地，所述球磨采用的球磨介质为无水乙醇或水。

14、优选地，所述球磨采用的磨球为氧化锆磨球；物料与磨球的质量比为1:(10-12)；物料与球磨介质的质量比为1:(1-3)；球磨的时间为8-12h。

15、优选地，所述干燥的温度为100-150℃，干燥的时间为2-6h。

16、优选地，步骤3)中所述预烧的条件包括：预烧的温度为800-850℃，预烧的时间为1-2h。

17、优选地，步骤4)中所述有机粘结剂包括pva、pvb或rhoplex溶液；所述有机粘结剂的添加量为所述预烧粉体的1wt％-5wt％。

18、优选地，步骤6)中所述排胶的条件包括：温度为550-650℃，保温时间为1-2h，升温速率为1-2℃/min。

19、优选地，步骤6)中所述高温烧结的条件包括：温度为1200-1270℃，保温时间为1-2h，升温速率为2-10℃/min。

20、优选地，步骤7)中所述高压极化的条件包括：极化的温度为室温，极化的电场为10-20kv/cm，极化的时间为5-10min。

21、本发明的第三方面提供一种压电装置，在所述压电装置中，包括本发明所述的高压电系数的pmnzt基压电陶瓷；所述压电装置为传感器、驱动器、变压器或换能器。

22、相对于现有技术，本发明的有益效果以下：

23、本发明提供的一种高压电系数的pmnzt基压电陶瓷，选择性能优异的pmnzt三元陶瓷为基体，并在a位引入比pb离子半径略小的三价离子，引起晶格畸变，增强陶瓷的弛豫特征，从而获得更高的介电和压电性能；该压电陶瓷的正压电系数d33高达1040pc/n，逆压电系数d33*高达1310pm/v，介电常数ε33为4530-6460，介电损耗tanδ＜0.03，平面机电耦合系数kp＞0.70，并且该压电陶瓷的制备工艺简单，具有广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种高压电系数的pmnzt基压电陶瓷，其特征在于，所述高压电系数的pmnzt基压电陶瓷的化学通式为：pb(1-y)lny(mg1/3nb2/3)(0.85-x)zr0.15tixo3，其中0.31≤x≤0.34，0.02≤y≤0.025，x、y均表示摩尔分数，ln为nd和eu元素中的一种或两种。

2.权利要求1所述的高压电系数的pmnzt基压电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述煅烧的温度为1100-1200℃，煅烧的时间为2-6h。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述球磨工艺采用的球磨介质为无水乙醇或水。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述预烧的条件包括：预烧的温度为800-850℃，预烧的时间为1-2h。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述有机粘结剂包括pva、pvb或rhoplex溶液；所述有机粘结剂的添加量为所述预烧粉体的1wt％-5wt％。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤6)中所述排胶的条件包括：温度为550-650℃，保温时间为1-2h，升温速率为1-2℃/min。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤6)中所述高温烧结的条件包括：温度为1200-1270℃，保温时间为1-2h，升温速率为2-10℃/min。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤7)中所述高压极化的条件包括：极化的温度为室温，极化的电场为10-20kv/cm，极化的时间为5-10min。

10.一种压电装置，其特征在于，包括权利要求1所述的高压电系数的pmnzt基压电陶瓷；所述压电装置为传感器、驱动器、变压器或换能器。

技术总结
本发明属于压电陶瓷技术领域，公开了一种高压电系数的PMNZT基压电陶瓷及其制备方法和应用。本发明高压电系数的PMNZT基压电陶瓷通过选择性能优异的铌镁酸铅‑锆酸铅‑钛酸铅三元陶瓷为基体，并在A位引入比Pb离子半径略小的三价离子，引起晶格畸变，增强陶瓷的弛豫特征，从而获得更高的介电和压电性能；该压电陶瓷的正压电系数d<subgt;33</subgt;高达1040pC/N，逆压电系数d<subgt;33</subgt;*高达1310pm/V，介电常数ε<subgt;33</subgt;为4530‑6460，介电损耗tanδ＜0.03，平面机电耦合系数k<subgt;p</subgt;＞0.70，并且该压电陶瓷的制备工艺简单，具有广泛的应用前景。

技术研发人员：郝华,郭庆虎
受保护的技术使用者：佛山仙湖实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12