[发明专利]一种锑锰-锆钛酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种锑锰‑锆钛酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法。本发明所述锑锰‑锆钛酸铅基压电陶瓷的化学式为xPb(Insubgt;1/2/subgt;Nbsubgt;1/2/subgt;)Osubgt;3/subgt;–0.04Pb(Mnsubgt;1/3/subgt;Sbsubgt;2/3/subgt;)Osubgt;3/subgt;–(0.96‑x)Pb(Zrsubgt;0.49/subgt;Tisubgt;0.51/subgt;)Osubgt;3/subgt;，其中0.0≤x≤0.1。本发明以三元系陶瓷锑锰‑锆钛酸铅为基体，引入第四组元Pb(Insubgt;1//subgt;subgt;2/subgt;Nbsubgt;1/2/subgt;)Osubgt;3/subgt;，成功制备了同时具备高机械品质因数、高机电耦合系数和高压电性能的综合性能优异的适合大功率谐振器件的四元系铅基压电陶瓷材料。

技术领域

本发明涉及压电陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种锑锰-锆钛酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能相互转换的信息功能材料，它具有制备简单、成本低、易于加工和便于大规模生产等特点。近年来，压电陶瓷在传感器、执行器、换能器、无损检测和通讯技术等领域获得了广泛应用，已成为现代工业体系中不可或缺的功能材料。

对于不同的工作场景，对压电材料性能参数的要求也不同，一般来说，压电器件的应用可以根据工作频率分为谐振式和非谐振式两类。针对高功率换能器、变压器等谐振应用领域，为避免陶瓷在谐振状态下持续振动产生的内摩擦引起应力破坏或性能恶化，要求压电材料需具备高的机械品质因数(Q_m)，低的介电损耗(tanδ)和良好的温度稳定性，在此基础上，还需要高的压电性能机电耦合性能以保证谐振器件正常且高效的工作。硬掺杂PZT陶瓷长期以来一直是大功率器件常用的压电陶瓷材料，然而，由于该类材料(硬性掺杂陶瓷)内部缺陷偶极子对畴的钉扎作用，它的其压电性能普遍较低，目前商用最为广泛的硬掺杂PZT-8陶瓷具有较高的机械品质因数Q_m高达1000，和小的损耗0.004，以及相对较高的居里温度300℃，但是压电性能d₃₃只有225pC/N左右，机电耦合系数也只有0.5，这严重影响了谐振器件的能量转换效率。与之相反，软性掺杂的PZT陶瓷具有较高的压电性能和机电耦合性能，但是居里温度和机械品质因数Q_m普遍很低并且损耗较高，(PZT-5H：d₃₃～593pC/N，k_p～0.65，Q_m～65，T_c～193℃)。商用PZT-4陶瓷的d₃₃和Q_m较为均衡，但难以满足高性能要求标准(d₃₃～300pC/N，Q_m～500)。因此，由于材料自身性能的限制，导致许多高精度高共振位移的应用，如高强度聚焦超声(HIFU)和超声标量等，都受到一定程度上的制约。因此，研发高性能压电陶瓷对于推动高科技产业升级，促进国民经济和国防建设有着重大的战略价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种锑锰-锆钛酸铅基压电陶瓷材料及其制备方法。本发明制备的锑锰-锆钛酸铅基压电陶瓷，压电系数d₃₃可达401pC/N，机械品质因数Q_m可达1510，机电耦合系数0.63，介电损耗0.0029，居里温度341℃。

本发明的技术方案如下：

本发明的一个目的是提供一种锑锰-锆钛酸铅基压电陶瓷，其所述锑锰-锆钛酸铅基压电陶瓷的化学式为xPb(In_1/2Nb_1/2)O₃–0.04Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃–(0.96-x)Pb(Zr_0.49Ti_0.51)O₃，其中0.0≤x≤0.1。