[发明专利]掺杂二氧化铈的铌锑-锆钛酸铅压电陶瓷

说明书

技术领域

本发明是关于以成分为特征的陶瓷组合物，尤其涉及一种外加二氧化铈(CeO₂)的铁电铌锑-锆钛酸铅压电陶瓷材料。

背景技术

压电陶瓷是一种能将机械能和电能相互转化的功能陶瓷，属于无机非金属材料范畴。压电陶瓷材料由于具有优异的介电性和压电性能，且制备工艺简单、成本低，因此在信息、航天、激光和生物等高新技术领域及工业生产中都得到了广泛应用。

纯的PZT(锆钛酸铅)陶瓷高温烧结的时候由于PbO的熔点较低，饱和蒸汽压高，易产生铅的挥发，组分不易控制性能的稳定性和重复性较差，这就限制了PZT的应用。二十世纪六十年代，出现了掺杂PZT压电陶瓷，不仅降低了合成温度减少了铅的挥发，而且某些性能还得到了改善。但是尽管这样二元的PZT已经远远不能满足社会的需求，这就促进了对新型压电材料研究，人们广泛研究了三、四元系压电陶瓷，如PMN-PZT、PMN-PZT-PT、PSN-PZN-PZT、PLN-PMN-PZT等，这些新型的压电陶瓷具有较高的发展前景。

在实际元器件中，不同的应用对压电陶瓷材料的性能参数要求不同，这就迫使人们对压电陶瓷材料进行相应的性能改进。目前，国内外主要采用两种方法：一种是掺杂改性，即掺杂某种杂质离子，通过对A位或B位离子进行少量置换，调整材料的性能参数，以满足压电元器件的要求；另一种是改进制备工艺，如确定最佳的煅烧温度、排胶制度、极化条件等，使得压电陶瓷某些性能得到改善，以满足压电元器件的要求。

铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷是一种压电性能优良的陶瓷材料，它具有较高的压电系数和机电耦合系数，频率稳定性和时间稳定性很好，能应用于制作滤波器，振子水声换能器，大功率驱动器，车辆番号自动读出装置、滤波器振子、高温检测高温探伤测厚等。但是不加改性掺杂物的铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷机电耦合系数较小，本发明选用铌锑-锆钛酸铅系压电陶瓷为对象进行研究，并对本系统进行氧化铈掺杂改性，获得较为理想的压电陶瓷材料。铈(Ce)离子是典型的变价离子，多以CeO₂的形式引入。从离子半径大小考虑，变价的Ce离子半径介于Zr、Ti离子半径与Pb离子的半径之间，因此Ce既可以取代A位的Pb，也可以取代B位的Zr、Ti，适量的掺杂既可起到“软性”掺杂特点，能有效地提高机电耦合系数及压电系数；又可起到“硬性”掺杂特点，即可以提高材料的机械品质因数，降低材料的介电损耗，提高压电陶瓷的温度稳定性。

发明内容

本发明采用传统的固相合成的制备方法，提供一种以铌锑-锆钛酸铅(PSN-PZT)为基体、掺杂二氧化铈、取得综合电学性能更好的压电陶瓷。

本发明通过以下技术方案予以实现：

掺杂二氧化铈的铌锑-锆钛酸铅压电陶瓷，其原料组分及其质量百分比含量为：以Pb_0.93Ba_0.07(Nb_1/2Sb_1/2)_0.06(Zr_0.52Ti_0.48)_0.94O₃为基石出，外加0.1～5.0wt.％CeO₂。

所述压电陶瓷是单一的钙钛矿结构。

所述原料为Pb₃O₄、BaCO₃、ZrO₂、TiO₂、Nb₂O₅、Sb₂O₃和CeO₂。

所述压电陶瓷采用传统的固相合成的制备方法，于1220℃～1280℃烧结，保温2h。

本发明的有益效果是，提供了一种综合电学性能良好的掺杂二氧化铈的铌锑-锆钛酸铅压电陶瓷，其成分及工艺步骤简单、易于操作、重复性好、成品率高。

附图说明

图1：本发明在1260℃、1280℃烧结保温2h，CeO₂掺杂量对PSN-PZT压电系数d₃₃的影响。

图2：本发明在1260℃、1280℃烧结保温2h，CeO₂掺杂量对PSN-PZT机电耦合系数Kp的影响。

图3：本发明在1260℃、1280℃烧结保温2h，CeO₂掺杂量对PSN-PZT介电常数的影响。