專利名稱：一種鑭摻雜鋯鈦酸鉛反鐵電陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鑭摻雜鋯鈦酸鉛(PLZT)反鐵電陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
反鐵電材料最顯著的特征是由于反平行偶極子的存在具有雙電滯回線，然而目前發(fā)現(xiàn)可以常壓下制備的具有反平行極化的反鐵電材料并不多。反鐵電材料的結(jié)構(gòu)類型主要有兩種，一種是NaNbO3型，它的反平行偶極子是沿著假立方鈣鈦礦晶胞邊的對角線，另一種是1 型，它的反平行偶極子是沿著假立方鈣鈦礦面的對角線。在這兩種反鐵電材料中， PbZrO3基型的反鐵電材料可以在電場的作用下發(fā)生從反鐵電相到鐵電相的轉(zhuǎn)變，并伴隨很大的應(yīng)變及電荷釋放，因此是一種具有重要使用價值的反鐵電材料。反鐵電陶瓷電介質(zhì)是由反鐵電體此&03或者PZT為基的固溶體所組成。反鐵電陶瓷材料的電容量或介電常數(shù)隨場強的變化規(guī)律是在低壓下保持定值，至一定場強時電容量逐漸增大，然后達到最大值。 場強更高時電容量下降，極化強度達到飽和后電容量降到一定值。反鐵電陶瓷是較好的高壓陶瓷介質(zhì)材料，其介電常數(shù)與鐵電陶瓷相近，但無鐵電陶瓷那種容易介電飽和的缺點。在較高的直流偏場下，介電常數(shù)隨外電場的增加不是減小而是增加，只有在很高的電場下才會出現(xiàn)介電飽和，而且反鐵電陶瓷可以避免剩余極化，是較適合作為高壓陶瓷電容器的材料。反鐵電體是比較優(yōu)越的儲能材料，用它制成的儲能電容器具有儲能密度高和儲能釋放充分的優(yōu)點。由于反鐵電體儲能電容器是利用反鐵電態(tài)與鐵電態(tài)相變時的儲能變化，而以1 為基的反鐵電材料相變場強較高，一般為40-100kV/ cm,另外，反鐵電材料具有較高介電常數(shù)以及在一定高壓下介電常數(shù)進一步增大的特性，所以反鐵電體陶瓷電容器適用于高壓。反鐵電材料在相變時具有大應(yīng)變量和高密度電荷瞬間釋放特性，與此同時，通過控制電場的大小，場誘相變還提供了可控開關(guān)、可調(diào)變的介電、壓電和熱釋電性能，并具有可逆的增強效應(yīng)。因此反鐵電材料成為智能傳感和制動系統(tǒng)中的關(guān)鍵材料，其可能的應(yīng)用領(lǐng)域包括有高密度儲能電容器、大位移致動器、換能器和可開關(guān)、 可調(diào)變壓電和熱釋電探測器等。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)約有40多種反鐵電材料，其中鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的 PZT基化合物是目前最具有應(yīng)用價值的一類反鐵電材料，也是當今國內(nèi)外研究的熱點?，F(xiàn)有的反鐵電材料的化學(xué)組成處于相對較窄的反鐵電/鐵電相界附近，原料組分和制備條件對材料的相變性能影響明顯，微小的組分波動也會顯著改變材料的相變性能。 本發(fā)明要通過適當離子摻雜改性，獲得相對穩(wěn)定、單一相結(jié)構(gòu)的反鐵電陶瓷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要通過適當離子摻雜改性，獲得相對穩(wěn)定、單一相結(jié)構(gòu)的鋯鈦酸鉛反鐵電陶瓷。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)(1)配料將原料Pb304、Zr02、Ti02、L￡i203 按 PVxLeix (Zr。. 7。Ti。. J1-^4O3,式中 χ = 0. 07 0. 18的化學(xué)計量比配料，于球磨罐中混料，球料水的重量比為2 1 0.5，球磨時間為處， 再將原料烘干；(2)預(yù)合成將步驟(1)烘干后的粉料放入氧化鋁坩堝內(nèi)，加蓋密封，于900°C合成池；(3)成型及排塑將步驟O)的合成料再次球磨、烘干，外加7wt%的聚乙烯醇水溶液進行造粒，過篩后在300Mpa的壓強下壓制成型為坯體；然后以3°C /min的速率將坯體升溫至200°C，再以1. 5°C /min速率從200°C升至400°C，于400°C保溫30min后，以5°C /min的速率升至 650°C并保溫lOmin，排出有機物；(4)燒結(jié)將步驟C3)排出有機物的坯體采用鋯鈦酸鉛粉料埋燒，升溫速率為6V /min，在 1230 1290°C燒結(jié)，保溫池，隨爐冷卻，制得鑭摻雜鋯鈦酸鉛(PLZT)的反鐵電陶瓷；(5)燒銀將步驟⑷燒結(jié)好的陶瓷片打磨至厚度為0. 8 1. 3mm，采用絲網(wǎng)印刷工藝，在其上、下表面印刷銀漿，再置于加熱爐中，升溫至735°C并保溫lOmin，自然冷卻至室溫；(6)測試電學(xué)性能。所述步驟(1)的球磨介質(zhì)為去離子水和瑪瑙球，球磨機的轉(zhuǎn)速為750r/min。所述步驟(1)的原料烘干溫度為100°C。所述步驟(3)的坯體為直徑12mm、厚度1. 2 1. 4mm的圓片狀坯體。本發(fā)明的有益效果是，通過適當?shù)碾x子摻雜，獲得相對穩(wěn)定的反鐵電相。


圖1為本發(fā)明制備出的PVxLeix (Zra7tlTia J W4O3，式中χ = 0. 11 0. 14的X射線衍射圖；圖2為本發(fā)明制備出的PbhLEix (ZrQ. ^TiaJw4O3，式中χ = 0. 07 0. 18的介電常數(shù)(咗Α。)，損耗(tan δ )圖譜；
圖3為本發(fā)明制備出的PbhLEix (ZrQ. ^TiaJw4O3，式中χ = 0. 11 0. 14的電滯回線；橫坐標為電場強度(V/mm)，縱坐標表示極化強度(yC/cm2)；圖4 為本發(fā)明制備出的 PbhLEix (Zr0.7 Jia 30) ^x74O3,式中 x = 0. 11 0. 14 的電場-應(yīng)變曲線；橫坐標為電場強度(V/mm)，縱坐標表示應(yīng)變；圖5為本發(fā)明制備出的PbhLEix (Zra7tlTia Jw4O3，式中χ = 0. 11 0. 14的介電常數(shù)(4/ )，損耗(tan δ)與溫度的關(guān)系。
具體實施例方式本發(fā)明采用市售的化學(xué)純原料(純度彡99% )，為Pb304、ZrO2, TiO2, Lei203。具體實施如下(1)配料將原料Pb304、Zr02、Ti02、L￡i203 按 PVxLeix (Zr。. 7。Ti。. J1-^4O3,式中 χ = 0. 07 0. 18 的化學(xué)計量比配料，于球磨中混料，球料水的重量比為2 1 0.5，球磨介質(zhì)為去離子水和瑪瑙球，球磨機的轉(zhuǎn)速為750r/min，球磨時間為4h，然后再將原料烘干；⑵合成將步驟(1)烘干后的粉料放入氧化鋁坩堝內(nèi)，加蓋密封，于900°C合成池；(3)成型及排塑將步驟O)的合成料再次球磨、烘干，外加7wt%的聚乙烯醇水溶液進行造粒，過篩后在300Mpa的壓強下壓制成型為坯體，坯體為直徑12mm，厚度1. 2 1. 4mm,圓片狀；然后以3°C /min的速率將坯體升溫至200°C，再以1. 5°C /min速率從200°C升至400°C，在 400°C保溫30min后，以5°C /min的速率升至650°C并保溫lOmin，排出有機物；(4)燒結(jié)將步驟C3)排出有機物的坯體采用鋯鈦酸鉛粉料埋燒，速率升溫為6V /min，在 1230 1290°C，保溫池，隨爐冷卻，制得鑭摻雜鋯鈦酸鉛(PLZT)的反鐵電陶瓷；(5)燒銀將步驟⑷燒結(jié)好的反鐵電陶瓷片打磨至厚度為0. 8 1. 3mm，采用絲網(wǎng)印刷工藝在其上、下表面印刷銀漿，置于加熱爐中，升溫至735°C并保溫lOmin，自然冷卻至室溫；(6)測試壓電性能將步驟(5)處理后的反鐵電陶瓷片，冷卻至室溫后測試其電學(xué)性能。在上述工藝條件下，具體實施例如下權(quán)利要求
1.一種鑭摻雜鋯鈦酸鉛反鐵電陶瓷，其原料組成及其原料摩爾百分比含量為 PVxLeix (Zra7tlTia JhZ4O3,式中 χ = 0.07 0. 18，所述原料為 Pb3O4、ZrO2、TiO2 和 La2O30
2.權(quán)利要求1的一種鑭摻雜鋯鈦酸鉛反鐵電陶瓷的制備方法，具有如下步驟(1)配料將原料 Pb304、ZrO2, TiO2, La2O3 按 PVxLeix (Zr0.70Ti0.30) ^x74O3,式中 χ = 0. 07 0. 18 的化學(xué)計量比配料，于球磨罐中混料，球料水的重量比為2 1 0.5，球磨時間為處，再將原料烘干；(2)預(yù)合成將步驟(1)烘干后的粉料放入氧化鋁坩堝內(nèi)，加蓋密封，于900°C合成池；(3)成型及排塑將步驟O)的合成料再次球磨、烘干，外加質(zhì)量百分比為7wt%的聚乙烯醇水溶液進行造粒，過篩后在300Mpa的壓強下壓制成型為坯體；然后以3°C /min的速率將坯體升溫至 200°C，再以 1. 5°C /min 速率從 200°C升至 400°C，于 400°C保溫 30min 后，以 5°C /min 的速率升至650°C并保溫lOmin，排出有機物；(4)燒結(jié)將步驟⑶排出有機物的坯體采用鋯鈦酸鉛粉料埋燒，升溫速率為6°C/min，在 1230 1290°C燒結(jié)，保溫池，隨爐冷卻，制得鑭摻雜鋯鈦酸鉛的反鐵電陶瓷；(5)燒銀將步驟(4)燒結(jié)好的陶瓷片打磨至厚度為0. 8 1. 3mm，采用絲網(wǎng)印刷工藝，在其上、下表面印刷銀漿，再置于加熱爐中，升溫至735°C并保溫lOmin，自然冷卻至室溫；(6)測試電學(xué)性能。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的一種鑭摻雜鋯鈦酸鉛反鐵電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)的球磨介質(zhì)為去離子水和瑪瑙球，球磨機的轉(zhuǎn)速為750r/min。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的一種鑭摻雜鋯鈦酸鉛反鐵電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)的原料烘干溫度為100°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的一種鑭摻雜鋯鈦酸鉛反鐵電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)的坯體為直徑12mm、厚度1. 2 1. 4mm的圓片狀坯體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種摻雜La2O3的鋯鈦酸鉛反鐵電陶瓷，其原料組分及其摩爾百分比含量為Pb1-xLax(Zr0.70Ti0.30)1-x/4O3，式中x＝0.07～0.18。本發(fā)明采用傳統(tǒng)的氧化物混合方法、常壓燒結(jié)，制得反鐵電陶瓷材料。本發(fā)明制得的反鐵電陶瓷能夠在室溫下顯示雙電滯回線，損耗較小，溫度系數(shù)較小，主要應(yīng)用于高密度儲能電容器、大位移致動器、換能器、可控開關(guān)和熱釋電探測器等。
文檔編號C04B35/622GK102432290SQ20111028196
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者孫清池, 王洪杰, 王耐清, 馬衛(wèi)兵 申請人:天津大學(xué)