[发明专利]一种低温烧结且老化率低的PZT压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

一种低温烧结且老化率低的PZT压电陶瓷材料及其制备方法，属于压电陶瓷材料领域。

背景技术

压电陶瓷，是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。这是一种具有压电效应的材料。所谓压电效应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。这种奇妙的效应已经被科学家应用在与人们生活密切相关的许多领域，以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能。在能量转换方面，利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石，打火次数可在100万次以上。用压电陶瓷把电能转换成超声振动，可以用来探寻水下鱼群的位置和形状，对金属进行无损探伤，以及超声清洗、超声医疗，还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁，对塑料甚至金属进行加工。

自1880年居里兄弟发现压电效应以来，这一效应已在各行各业和社会生活的各个方面得到广泛的应用，压电陶瓷也因此成为除介电陶瓷之外产量较大的电子陶瓷材料。最早被发现的压电陶瓷材料为钛酸钡，但自50年代PZT陶瓷被发现以来，PZT就因其机电耦合系数高、温度稳定性好、居里温度较高，而且可通过适当的取代添加改性达到不同用途等优越性，大量占有了压电陶瓷市场。关于PZT材料的研究也从探索各种取代添加对材料性能的影响，逐渐拓宽到微观结构与性能的关系以及工艺过程的各个方面。PZT材料的低温烧结即为其中方向之一。PZT陶瓷一般在1300℃左右烧结，PbO挥发严重，这不仅会造成环境污染，而且会导致PZT陶瓷的实际组分偏离所设计的配方，使其电性能劣化。研究PZT材料的低温烧结不仅可以降低电能消耗，而且可以减少PbO的挥发，避免陶瓷组分的波动及偏离设计组成，同时也减轻了PbO挥发所带来的环境污染问题。

极化处理后的压电陶瓷性能随存放时间的延长而变化的现象，称为其性能的老化。压电陶瓷放置的时间越长，总的变化量越大，但变化的速度会逐渐减缓。这个变化是不可逆的，除非其受到新的激励和干扰(如重新人工极化处理等)，否则不会再具有原来水平的性能。一般规律是：介电常数、介电损耗、压电常数、弹性柔顺系数都变小；而频率常数、机械品质因数值变大。而发现，这些性能参数的变化基本上与时间的对数呈线性关系，即

式中y代表陶瓷材料的性能参数，y(t₁)是极化处理以后单位时间t₁（例如1天）测得的该参数的值，y(t)是极化以后经过t时间（例如100天）后测得的值；t₁及t以天数或小时数表示。A为常数，称为老化率。若取以10为底的对数，求得的A称为十倍时间老化率。显然，∣A∣越小，材料的稳定性就越好。

在压电陶瓷应用的诸多领域中，压电性能指标，特别是性能的稳定性决定着产品是否具有实用性和商业价值。例如，引爆用压电陶瓷性能若因长期存放变化大，就不能引爆；点火用压电陶瓷性能经时变化大，就不能点火；压电超声马达、变压器、超声换能器等交流谐振驱动压电陶瓷元件的谐振频率变化太大，将使其不能工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种低温下烧结而成且老化率低的一种低温烧结且老化率低的PZT压电陶瓷材料及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种低温烧结且老化率低的PZT压电陶瓷材料，其特征在于包括主体成分和附加成分，主体成分组成式为Pb[(Sb_2/5Nb_3/5)_xZr_yTi_1-x-y]O₃，其中0.008≤x≤0.015，0.47≤y≤0.51；附加成分为占主体成分质量百分比0.98~1.63%的SnO₂。

优选的，所述的附加成分为占主体成分质量百分比0.98~1.12%的SnO₂。

一种上述的低温烧结且老化率低的PZT压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：