[发明专利]一种钡、镁、钨取代锆钛酸铅A位改性的压电陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及压电陶瓷，具体而言，涉及一种钡、镁、钨取代锆钛酸铅A位改性的压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

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。

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。

压电泵是一种新型流体驱动器，它不需要附加驱动电机，而是利用压电陶瓷的逆压电效应使压电振子产生变形，再由变形产生泵腔的容积变化实现流体输出或者利用压电振子产生波动来传输流体。由于压电泵具有传统泵所不具备的特点，压电泵由压电振子、泵阀和泵体组成。工作中，当压电振子两端施加交流电源U时，压电振子在电场作用下径向压缩，内部产生拉应力，从而使压电振子弯曲变形。当压电振子正向弯曲时，压电振子伸长，泵腔容积增大，腔内流体压力减小，泵阀打开，流体进入泵腔；当压电振子向反向弯曲时，压电振子收缩，泵腔容积减小，腔内流体压力增大，泵阀关闭，泵腔内的流体被挤压排出，形成平缓的连续不断的定向流动。从压电泵的工作过程可看出，压电振子的质量直接影响压电泵的寿命。其中，压电振子的振幅及其寿命显得尤为关键，压电振子的振幅越大，可变腔体容积的变化量越大，因此输送介质的流量也越大，压力也越大，而传统的压电振子的振幅很小，一般只能达到几十微米，并与电压直接相关，即电压越大，其振幅越大，反之振幅越小，但过高的提高电压，则容易导致压电振子的压电陶瓷发生破裂。为实现高寿命、振幅大的压电振子，需从压电元件进行改进，需提高其材料的机电耦合系数K_p及其介电常数，通过提高机电耦合系数K_p、介电常数ε^T₃₃/ε₀，从而提高压电振

子的振幅，从而满足微型压电泵的流量大、高寿命的要求。

在中国专利申请号为201310301648.8，名为《锆钛酸铅B位铌锑复合取代改性的压电陶瓷及其制备方法》的专利文件中，公开了一种通过取代PZT的B位以得到改性的高性能压电陶瓷的方法，通过采用（Sb_1/2Nb_1/2）对纯的PZT压电陶瓷进行B位复合取代改性，获得铌锑复合取代改性的压电陶瓷。当（Sb_1/2Nb_1/2）的取代量X=0.05，合成反应温度为950℃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ε^T₃₃/ε₀，压电系数d₃₃，机电耦合系数K_p值和损耗值tanδ分别为1900，360pC/N，73%，2.3%，相对于纯的PZT压电陶瓷，其上述压电性能都得到了显著的改善，能够用于超声波传感器、压电宽频滤波器、压电表贴蜂鸣器及压电陶瓷驱动器等电子器件中。但是该发明主要只对PZT的B位进行取代，获得压电陶瓷的介电常数和压电系数较小，只适用于制作部分仪器，无法应用在压电泵中。

在《电子元件与材料》2006年7月第7期中发表的论文《Ba²⁺取代对PSN-PZT瓷结构和压电性能的影响》，《压电与声光》2014年2月第36卷第1期中发表的论文《A位取代对PZN-PNN-PZT压电陶瓷性能的影响》等论文中，均具有利用A位取代可提高压电陶瓷的性能的描述。但是，前者只是探讨了单一变量Ba²⁺对压电陶瓷性能的影响，并没有根据研究结果提供优化的压电陶瓷配方与制作方法；而后者虽然提供了A位取代压电陶瓷的配方，但是其机电耦合系数非常低，不符合生产应用要求。

因此需要研发一种具有独创性的，性能参数针对压电泵的高性能改性压电陶瓷及其制备方法。

发明内容

为了提高PZT二元系压电陶瓷的压电性能，使其适应生产使用的高要求，本发明实施例提供了一种钡、镁、钨取代锆钛酸铅A位改性的压电陶瓷及其制备方法。所述技术方案如下：