[发明专利]掺杂改性的铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法

说明书

本发明所述铌镍酸铅‑锆钛酸铅压电陶瓷，表示其化学组成组分及组分含量的化学式如下：Pb_1‑mSr_m(Ni_1/3Nb_2/3)_n(Zr_0.52Ti_0.48)_1‑nO₃+xwt％Sb₂O₃+y％PbO+z％NiO，式中0.08≤m≤0.12，0.1≤n≤0.4，0.5≤x≤1，0≤y≤4，0≤z≤5，各参数进一步优选为m＝0.1，0.2≤n≤0.24，x＝0.75，y＝3，0≤z≤4。本发明还提供了上述铌镍酸铅‑锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法。所述掺杂改性的铌镍酸铅‑锆钛酸铅压电陶瓷其电学性能显著提高，可满足大功率压电器件的应用需求。

技术领域

本发明属于压电陶瓷领域，特别是涉及一种掺杂改性的高性能铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法。

背景技术

功率型的压电器件是一种压电换能器，它的工作原理是利用陶瓷材料特有的正、逆压电效应，通过机电能量二次转换，依靠器件内部阻抗的变化而实现在谐振频率上应用。这就要求压电器件材料具有高的压电系数d₃₃、高的介电常数ε_r、大的机电耦合系数k_p以及低的介电损耗tanδ。PZT(PbZrO₃-PbTiO₃，锆钛酸铅)基压电材料由于具有高d₃₃和k_p而得到广泛的应用。目前，普遍用于提高PZT基压电陶瓷电学性能的方法主要有三种：1)在PZT基的基础上进行多元复合，常见的复合组元有铌镁酸铅(PMN)、铌锌酸铅(PZN)和铌镍酸铅(PNN)等；2)在PZT系中进行A位和B位离子的掺杂改性，常用的掺杂改性方法有同价取代、硬性掺杂和软性掺杂；3)探索新的制备工艺。对于第一种方法中，在PZT基础上进行多元复合的PNN-PZT(铌镍酸铅-锆钛酸铅)压电陶瓷以其较高的压电系数、相对较高的机电耦合系数、高的介电常数，以及低的机械品质因数而得到广泛的关注和应用。但若不进行掺杂改性，PNN-PZT压电陶瓷的电学性能相对较低，不能满足大功率压电器件的应用需求。掺杂改性由于能显著提升压电器件的电学性能，已成为压电陶瓷与器件方向的研究热点。目前对PNN-PZT压电陶瓷进行了Sm₂O₃、ZnO、MnO₂、Fe₂O₃、Y₂O₃、ZnO/Li₂O共掺、CuO/Fe₂O₃共掺等各种掺杂改性研究，但掺杂后所获得产品的压电、介电性能仍相对偏低，压电系数d₃₃≤800pC/N；室温相对介电常数ε_r≤6000，尚不能满足大功率压电器件的实际应用需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种掺杂改性的铌镍酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷及其制备方法，以进一步提高PNN-PZT系压电陶瓷的电学性能，从而满足大功率压电器件的应用需求。

本发明的构思如下：通过选用Sr对A位离子的掺杂和选用Sb对B位离子的掺杂，即以A、B位离子共掺杂，进一步通过Pb和/或Ni过量条件下的制备方法来获得电学性能优良的PNN-PZT系压电陶瓷，以得到具有高压电系数、高介电常数、以及较高机电耦合系数的掺杂改性的高性能PNN-PZT压电陶瓷。

为实现上述目的，本发明通过以下的技术方案来实现：