一种高机电耦合性能锆钛酸铅细晶压电陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种压电陶瓷材料，具体涉及一种高机电耦合性能锆钛酸铅细晶压电 陶瓷，同时还涉及该细晶压电陶瓷的制备方法。
【背景技术】
[0002] 压电陶瓷是通过高温烧结制成的，具有高介电常数、压电性及优异的机电耦合性 能的一种新兴的陶瓷材料，能够将机械能和电能互相转换。其中最具有代表性的是锆钛酸 铅(PZT)压电陶瓷，PZT压电陶瓷由于其压电性能以及由压电性而引起的多种介电性能，在 宇航、电子、计算机、激光、超声和能源等领域都得到了广泛的应用。
[0003] 随着各行业的不断的发展，对PZT压电陶瓷的压电性能要求也不断提高，因此，对 纯的PZT压电陶瓷进行改性获得改性的PZT压电陶瓷材料，以提高其压电性能，使其能够满 足日益提高的压电性能的需求，已经成为PZT压电陶瓷发展的必然趋势。压电陶瓷在需要良 好的压电性能的同时，同样需要良好的力学性能。由于压电陶瓷本身存在的断裂韧性低的 固有弱点，限制了其在实际应用中的范围。
[0004] 通过对压电陶瓷的断裂行为及增韧机理进行总结分析得出：对于穿晶断裂的压电 陶瓷，主要增韧机理是微裂纹增韧，气孔率对韧性有负面影响;对于沿晶断裂的压电陶瓷， 主要增韧机理是晶界解离，气孔率对其韧性有负面影响。通过对压电陶瓷的典型实验现象 和己有的各种解释分析发现:通过加入第二相来增韧压电陶瓷，虽然显著改变了这些压电 陶瓷的断裂韧性，但是会严重损害其压电性能；而通过自增韧的压电陶瓷不仅改善了断裂 韧性，且保持了其优良的压电性能。
[0005] 中国专利CN201510179552.8公开了一种锰锑酸铅掺杂的铌镍-锆钛酸铅压电陶瓷 (PMN-PZT)，获得了一种化学式为（l-x^bmh/sM^/sksZryTioiyOs-xPbMm/sSbs/sCK 其中 y= 0 · 10~0 · 20，x=0~0 · 06)具有高压电系数以及优异的力学性能的(E~120GPa，Klc~l · 4MPa · m1 /2)，但是该压电陶瓷的机电耦合系数仅达到0.53,能量转化效率过低，无法达到应用的要 求。
[0006] 中国专利CN200410016324.0中公开了一种掺杂铌锰酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷材料 及其制备工艺，以SrC03置换部分PbO和添加 Μη⑶3,获得了一种弯曲强度为97MPa、介电损耗 小于0.5%、机电耦合系数最高达0.59的压电陶瓷材料，过低的机电耦合系数使其在应用时 能量转化效率过低，无法达到应用的要求。
[0007] 在另一份天津大学的硕士学位论文"低损耗PMS-PZT压电陶瓷材料的研究"中，公 开了 一种组成为？131.02(]/[111/33匕2/3)1(21'().471'；[().48)(1-\)/().9503二兀系压电陶瓷，其最佳压电系 数d33为340pC/N，机械品质因数kp=0.585,相对介电常数为1369,介电损耗为0.31%的压电 陶瓷材料，其相应的机械品质因数为0.585,远无法达到应用的要求。
[0008] 通过对现有技术文件的分析中发现，锆钛酸铅产品晶粒过大(7-12微米），气孔多， 产品的脆性大，易在振动工作中开裂，导致性能不稳定，影响产品的机械性能和可靠性。通 过采用细化晶粒(通常取2-4微米)的方式可以大幅度提高压电陶瓷产品的可靠性，但按通 常该方法会同时降低锆钛酸铅的压电性能(如介电常数er及机电耦合系数Kp等性能）。例如 同样的ΡΖΤ锆钛酸铅的基础配方，在晶粒为7-12微米时，其介电常数可达3500、机电耦合系 数Κρ可达0.75;但将烧后产品晶粒控制在2-4微米时，其压电性能会出现急剧下降，介电常 数e max达1700、机电耦合系数Κρ最高达0.70。
[0009] 因而，如何获得一种具有综合机械性能优异、同时又具有较好的压电性能的压电 陶瓷材料成为目前研究中极富挑战性的课题。
【发明内容】
[0010] 为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高机电耦合性能锆钛酸铅细 晶压电陶瓷，相应的，本发明还提供了该细晶压电陶瓷的制备方法。
[0011] 为了实现本发明的技术目的，本发明采用以下技术方案。
[0012] 一种高机电耦合性能锆钛酸铅细晶压电陶瓷，其分子式为Pbi-X-y-zBa xNbyNiz (ZraTii-a)03,其中0<x<0.1，0<y <0·08,0<ζ <0.08,0.51<a<0.6。
[0013] 优选的，一种高机电耦合性能锆钛酸铅细晶压电陶瓷，其分子式为？!^^-zBaxNbyNi z(ZraTii-a)〇3，其中x=0 · 06，y=0 · 05，z=0 · 03，a=0 · 55〇
[0014] -种高机电耦合性能锆钛酸铅细晶压电陶瓷的制备方法，包括如下步骤： (a) 配料:按照压电陶瓷的成分及其化学计量比计算，称取原料，并将所述原料于球磨 罐中球磨混合2.5小时，得到混合后的粉体； (b) 预烧:将步骤(a)得到的混合后的粉体于氧化铝坩埚内密封，在800t>90(TC反应 2.5h，得到预烧后粉体； (c) 成型及排塑:将步骤(b)得到的预烧后粉体经球磨、烘干后流延成膜，冲制成坯体， 采用两段升温排出有机物； (d) 烧结:将步骤(c)得到的排出有机物后的坯体在步骤(b)中预烧后的粉体中于1210 °C埋烧2小时，升温速度为5 °C /min; (e) 被电极:将步骤(d)得到的烧结后的坯体经超声水洗后烘干被银电极，于780°C保温 lOmin后自然冷却，得到被电极制品； (f )极化:将步骤(e )得到的被电极制品于100 °C的空气中，施加1.4kV/mm的直流电场， 极化lOmin，得到压电陶瓷。
[0015] 优选的，所述步骤(a)中的原料为分析纯的Pb304、BaC03、Nb 205、Ni0、Zr0^Ti02J；f 述球磨混合的条件是原料:去离子水:球磨介质为1:2.5:1，转速为750rpm，所述球磨介质为 Zr〇2 球。
[0016] 优选的，所述步骤(b)的预烧反应温度为850°C。
[0017] 优选的，所述步骤(b)中烘干温度为60~100°C。
[0018] 优选的，所述步骤(c)中坯体直径为17.20mm，厚度为12.5 ± 0.5μπι。
[0019] 优选的，所述步骤(c)中的两段升温是指先以3°C/min的升温速率升温至200°C，再 以2°C/min的升温速率继续升温至400°C，保温30min后，再以5°C/min的升温速率升温至650 °C，保温15min，排出坯体中有机物。
[0020] 优选的，所述步骤(e)中被电极采用丝网印刷工艺。
[0021] 本发明的有益效果是:本发明通过采用钡、铌、镍对锆钛酸铅压电陶瓷进行改性， 获得了一种改性的高性能压电陶瓷。特别是当Pbi-x-y-zBaxNbyNiJZrJii- a)03,取代量x = 0.06，y=0.05，z=0.03，a=0.55，合成反应温度为850°C时，获得的改性的压电陶瓷综合压电 性能最好，其中，介电常数为3600,压电系数d 33为620pC/N，机电耦合系数kp值为80%，