[发明专利]一种锰锑酸铅掺杂的铌镍‑锆钛酸铅压电陶瓷

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于电子元器件行业的压电陶瓷材料，特别是涉及铌镍-锆钛酸铅基压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷是一类极其重要的电子功能材料，广泛应用于微位移驱动器、压电传感器、超声换能器、电容器、滤波器等方面。压电陶瓷的性能优劣直接影响到器件的性能，因此关于原材料的性能研究非常重要。

上世纪40年代人们在研究高介电钛酸盐时发现了钛酸钡陶瓷(BaTiO₃)。作为一种多晶材料，它在经过电场处理后具有很大的压电常数，钛酸钡是最早发现的压电陶瓷材料，也是最先用作压电变压器的单元系压电陶瓷材料。但是，BaTiO₃较低的居里温度(T_C＝120℃)限制了其使用的温度范围，因此人们依旧在寻找性能更优异的压电陶瓷。1955年，B.Jaffe等发现了一种二元组分的压电陶瓷材料钛锆酸铅(Pb(Zr,Ti)O₃，PZT)，这种材料的压电性能更为优越。PZT是由铁电相PbTiO₃和反铁电相PbZrO₃构成的连续固溶体，其结构同BaTiO₃一样，均为ABO₃钙钛矿型。对PZT的研究主要集中在Zr/Ti比为0.48～0.52的组分范围内，在该范围内存在着一条准同型相界(Morphotropic Phase Boundary，MPB)，组分落在MPB上的陶瓷显示出优异的压电性能。以PZT为基础，可以向其中加入复合钙钛矿型化合物形成3元乃至4元体系压电陶瓷。1965年，日本学者Hiromu Ouchi等通过在PZT中添加第三种组分铌镁酸铅Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃，研制成第一种商用三元系压电陶瓷材料(PMN-PZT)。三元系压电陶瓷的烧结过程易控制，压电和介电性能相比于二元系PZT更加优异，在电子元器件领域得到了广泛的应用。常用的三元系压电陶瓷有PMN-PZT(铌镁-锆钛酸铅)、PNN-PZT(铌镍-锆钛酸铅)、PZN-PZT(铌锌-锆钛酸铅)等。

铌镍-锆钛酸铅压电陶瓷(PNN-PZT)是弛豫铁电体铌镍酸铅(PNN)与铁电陶瓷锆钛酸铅(PZT)所组成的固溶体。该体系压电陶瓷最早由E.A.Buyanova等在1965年报道，具有较高的压电系数(d₃₃)、介电系数(ε_r)、机电耦合系数(k_p)和宽的相变区域，在压电驱动器、换能器等领域有着非常广泛的用途。但是该类陶瓷也存在的不少缺点，比如力学性能较差，机械加工性能有待提高，压电系数(场致应变性能)需要进一步优化，合成过程中不易得到纯相，容易产生焦绿石相等问题。

专利申请号为95119626.X的“压电陶瓷组成物”的专利申请，公开了一种基于A位取代的PNN-PZT压电陶瓷，具有高的机电耦合系数和令人满意的机械强度，适合应用于蜂鸣片中。但是该专利分析的材料性能参数有限，只包括了三点弯曲强度和机电耦合系数(k_p)，无法适合于该类陶瓷在其它场合的应用例如：微位移驱动器，传感器等。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高压电系数和良好力学性能的铌镍-锆钛酸铅基压电陶瓷(PNN-PZT)，适合于微位移驱动器、传感器、蜂鸣片等器件的应用。

本发明采用的技术方案为：本发明提供一种锰锑酸铅(PMS)掺杂的铌镍-锆钛酸铅压电陶瓷(PNN-PZT)，其化学组成为：(1-x)Pb(Ni_1/3Nb_2/3)_0.5Zr_yTi_0.5-yO₃-xPbMn_1/3Sb_2/3O₃，式中，x、y为摩尔含量，数值分别为x＝0.0-0.06，y＝0.10-0.20。

作为优选方案，本发明提供的锰锑酸铅掺杂铌镍-锆钛酸铅压电陶瓷，其组成为(1-x)Pb(Ni_1/3Nb_2/3)_0.5Zr_0.14Ti_0.36O₃-xPbMn_1/3Sb_2/3O₃，其中x＝0.0-0.04。