[发明专利]一种Nb2O5改性的PZT基压电复合陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种五氧化二铌Nb₂O₅改性的PZT基压电复合陶瓷及其制备方法，属于无机非金属材料技术领域。

背景技术

锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷材料体系，由于具有优良的铁电、压电和介电性能，广泛应用在航空、航天、兵器、舰船以及民用高技术等各个领域。传统的PZT压电陶瓷的本征脆性大、寿命短、成本高及环境污染等问题，使得PZT陶瓷正面临着十分严峻的挑战。尽管近年来压电材料技术已取得一些进展，但从整体技术上看还没有本质进步。例如，金属掺杂PZT性能提高有限；压电纤维复合材料的纤维基体介电常数相差大、基体容易破坏；陶瓷聚合物压电材料的压电常数和机电耦合系数小，工作温度范围窄；无铅压电材料压电性能低、工艺复杂、成本高。这些材料还不能满足实际应用的多种需求，特别是军事上高性能、高可靠性、长寿命、低成本的标准，成为制约武器装备高性能压电材料与器件发展的技术瓶颈。在压电器件方面，微型化、多功能集成、高性能的新概念压电器件在武器装备中显示出巨大的开发潜力和十分诱人的军事应用前景，各军事强国都为此投入了巨大的人力、物力、财力。因此，探索新概念、高性能、长寿命、低成本的压电材料一直是军用材料科学技术领域中的热点问题，新压电材料创新性研究已经成为本技术领域焦点。

近年来，我们的研究表明，利用具有三维四角结构的纳米氧化锌压电晶须ZnO_w来增强增韧传统PZT陶瓷的新型压电复合陶瓷材料具有优良的电学性能，大幅度提高的力学性能，应用前景广阔。虽然ZnO_w具有弱压电性，但ZnO_w的加入降低了PZT陶瓷的电学性能，因此提高PZT/ZnO_w新型压电复合陶瓷的综合力电性能成为这种新材料研究和应用的关键问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决PZT/ZnO_w压电复合陶瓷的电学性能下降的问题，提出一种Nb₂O₅改性的PZT基压电复合陶瓷及其制备方法。

本发明的一种Nb₂O₅改性的PZT基压电复合陶瓷，其组成式及各组分的质量百分比为：

组成式：xPZT/yZnO_w/zNb₂O₅，其中x+y＝1，0.8≤x≤0.99，0.01≤y≤0.2，0.0025≤z≤0.03，即PZT与ZnO_w组分质量百分比为80％～99％∶1％～20％，Nb₂O₅占PZT和ZnO_w总质量的0.25％～3％。

本发明的一种Nb₂O₅改性的PZT基压电复合陶瓷的制备方法，采用氧化锌纳米晶须ZnO_w、锆钛酸铅预烧陶瓷PZT和五氧化二铌Nb₂O₅为原料，制备压电性能优异的PZT基压电复合陶瓷；其具体制备步骤为：

1)在室温下，将PZT、ZnO_w和Nb₂O₅加入到球磨机中，然后再加入占粉体总质量5％～20％的乙醇在球磨机内混合，球磨3～24小时；将得到的混合液在60～120℃鼓风干燥箱中烘干5～24小时成固体，研磨过40～100目筛成粉；

2)将聚乙烯醇水溶液加入到步骤1)中干燥后混合粉体中，搅拌均匀，研磨并过40～100目筛成粉，得到粉料；

3)将步骤2)得到的粉料在不锈钢磨具中以50～200kg/cm²的压力压制成圆片生坯，然后将圆片生坯置于坩锅中，然后将坩埚放在箱式烧结炉中进行烧结；箱式烧结炉以1～10℃/min的升温速度升温至500～600℃，然后恒温2～5小时进行排胶；再以2～7℃/min升温至1000～1300℃，恒温2～5小时后，随炉冷却，得到Nb₂O₅改性的PZT基压电复合陶瓷片；

4)将步骤3)得到的Nb₂O₅改性的PZT基压电复合陶瓷片进行切割加工、涂银浆、上电极、极化老化后，得到Nb₂O₅改性的PZT基压电复合陶瓷；