一種高居里溫度、高電致應(yīng)變壓電陶瓷材料及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種高居里溫度、高電致應(yīng)變壓電陶瓷材料及其制備方法。所述材料的組成為Pb1-xLax(Zr1-yTiy)1-x/4O3+awt.％Nb2O5+bwt.％Fe2O3+cwt.％LiBiO2+dwt.％CuO。所述材料的制備是首先將初始原料Pb3O4，ZrO2，TiO2，La2O3，Nb2O5及Fe2O3按照傳統(tǒng)固相法合成氧化鈮，氧化鐵復(fù)合摻雜改性的摻鑭鋯鈦酸鉛粉體，然后在細(xì)磨之前將適量的燒結(jié)助劑Li2CO3，Bi2O3及CuO添加至初始粉體中以降低燒結(jié)溫度。本發(fā)明專利技術(shù)所述的壓電陶瓷材料具有高居里溫度、高電致應(yīng)變并且能在中溫?zé)Y(jié)致密的特性，能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)用壓電微位移驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用要求。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及ー種壓電陶瓷材料及其制備方法，具體說(shuō)，是涉及一種高居里溫度、高電致應(yīng)變并且能在中溫?zé)Y(jié)致密的壓電陶瓷材料及其制備方法，屬于壓電陶瓷材料

技術(shù)介紹
近年來(lái)隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車エ業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，汽車エ業(yè)迅猛發(fā)展的同時(shí)也產(chǎn)生了“環(huán)保、安全、節(jié)能”三大問(wèn)題，因此節(jié)能減排的戰(zhàn)略地位也日益突出。汽車是燃料消耗和廢氣排放的重要源頭，目前我國(guó)已執(zhí)行國(guó)4汽車排放標(biāo)準(zhǔn)。新的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)汽車排放達(dá)標(biāo)的不良現(xiàn)狀形成鮮明對(duì)比。迫于當(dāng)前面臨的節(jié)能減排的嚴(yán)峻形勢(shì)，我國(guó)必須加速與“節(jié)能減排”最密切關(guān)聯(lián)的發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)核心技術(shù)的研發(fā)。·目前，新一代壓電噴油系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)的最新技木，以壓電控制技術(shù)為特征。疊層壓電微位移驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)從源頭控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排放和節(jié)油，從而使其能夠符合更高規(guī)格的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，是壓電噴油系統(tǒng)的核心器件。目前世界上主要生產(chǎn)廠家有德國(guó)的博世公司、西門子公司，美國(guó)的德爾福公司和日本的電裝公司。它們基本上壟斷了全世界發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴油系統(tǒng)市場(chǎng)。壓電陶瓷是壓電噴油元件的關(guān)鍵功能材料，已經(jīng)成為新一代壓電噴油系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中的ー個(gè)重要技術(shù)瓶頸。用于發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)中壓電噴油嘴的壓電陶瓷材料必須具備以下性能I)高電致應(yīng)變=S11彡I. 0%。(il. 5kV/mm)，以確保壓電噴油元件在一定電場(chǎng)下有足夠的位移量；2)高居里溫度Tc彡230°C,以確保壓電噴油元件可以在較寬的溫度范圍內(nèi)エ作；3)低介電損耗tg 8 く 0. 03，以減少能量在材料中的損失；4)適中的介電常數(shù)e ^ 2500，以更容易實(shí)現(xiàn)電路的阻抗匹配，從而獲得更快的響應(yīng)時(shí)間；5)低燒結(jié)溫度Ts彡1180°C，以實(shí)現(xiàn)與銀鈀電極共燒，為疊層器件的制備奠定基礎(chǔ)。由于用于發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)用壓電噴油元件的研發(fā)具有很高的技術(shù)含量，國(guó)外對(duì)其實(shí)行了嚴(yán)格的技術(shù)保密。經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)的專利文獻(xiàn)檢索，關(guān)于疊層型壓電驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)和專利技術(shù)專利總數(shù)近200篇，但針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴射系統(tǒng)用的專利極少，其中公布的專利多涉及的是噴油器的組裝，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，對(duì)于其關(guān)鍵部件壓電噴油元件用壓電陶瓷材料配方及制備エ藝沒(méi)有具體涉及。壓電噴油元件用壓電陶瓷材料的制備難點(diǎn)是同時(shí)具備高居里溫度，又具備高電致應(yīng)變特性，且能在中溫實(shí)現(xiàn)致密燒結(jié)。通常具備高電致應(yīng)變特性的材料采用的是弛豫鐵電體，比如鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛體系，如0. 67Pb (Mgl73Nb273) O3-O. 33PbTi0s,但是由于純Pb (Mgl73Nb273) O3材料體系的居里溫度只有_8°C，該復(fù)合材料體系的居里溫度只有160°C左右，不適合在較高溫度(> 100°C )環(huán)境中使用。對(duì)于本專利涉及的摻鑭鋯鈦酸鉛材料體系，國(guó)內(nèi)外也做了大量的研究，內(nèi)容主要涉及透明陶瓷的制備(如CN02151113，US5139689等)，針對(duì)高電致應(yīng)變應(yīng)用的陶瓷的制備和摻雜改性(如US5595677，US5607632，JP9030861等)以及在光學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用(如US5029989，JP63189261等)。通常在驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用領(lǐng)域，研究較多的是PLZT-7 9/65/35體系，該材料體系的電致應(yīng)變可高達(dá)2 X 10_3 (il. 5kV/mm)，但是其居里溫度< 100°C，因此需要對(duì)材料配方進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和優(yōu)化以滿足實(shí)際應(yīng)用需要。另ー方面，由于壓電噴油元件的設(shè)計(jì)是采用疊層結(jié)構(gòu)，要求壓電陶瓷具有較低的燒結(jié)溫度，這樣可以實(shí)現(xiàn)與銀鈀電極共燒。專利CN1377853和CN1166586中涉及摻鑭鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的低溫?zé)Y(jié)，采用PbF2-PbO燒結(jié)助劑，在980°C 1080°C實(shí)現(xiàn)致密燒結(jié)，但是性能有所降低。文獻(xiàn)中曾經(jīng)報(bào)導(dǎo)過(guò)LiBiO2的添加對(duì)PZT，PNN-PZT, PMN-PZT材料體系燒結(jié)特性的影ロ向(Ferroelectric 258, 53 ；J. Eur. Ceram. Soc.，24,1037 1039 ； Jap. J. AppI. Phys.，43,6683)，但是針對(duì)其對(duì)摻鑭鋯鈦酸鉛體系燒結(jié)特性及電致應(yīng)變性能的影響的報(bào)導(dǎo)還未曾見(jiàn)到
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
·本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，提供ー種高居里溫度、高電致應(yīng)變并且能在中溫?zé)Y(jié)致密的壓電陶瓷材料及其制備方法，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)用壓電微位移驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用要求。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案如下一種高居里溫度、高電致應(yīng)變壓電陶瓷材料，其組成為Pb1^Lax (Zr1^Tiy) !^Og+awt. % Nb205+bwt. % Fe203+cwt. % LiBi02+dwt. % CuO ；其中0.01 彡 X 彡 0. 06，0. 45 彡 y 彡 0. 48，0. 6 彡 a 彡 3. 0，0 < b 彡 0. 2，0. 8 彡 c 彡 I. 5,0< d < I. O。作為優(yōu)選方案，所述的高居里溫度、高電致應(yīng)變壓電陶瓷材料，其組成為Pb1^Lax (Zr1^Tiy) !^Og+awt. % Nb205+bwt. % Fe203+cwt. % LiBi02+dwt. % CuO ；其中0.02 彡 X 彡 0. 05,0. 46 ^ y ^ 0. 48,0. 6 ^ a ^ 2. 0,0. 06 ^ b ^ 0. 1,0. 8 ^ c ^ I. 2，0.5 ^ d ^ I. O0作為最佳方案，所述的高居里溫度、高電致應(yīng)變壓電陶瓷材料，其組成為Pba97Laa03(Zr0.54Ti0.46) 0.992503+0 . 9wt. % Nb205+0. lwt. % Fe203+1. 2wt. % LiBi02+0. 6wt. % CuO 或 Pb0.98La0.02 (Zr0.54Ti0.46) 0.99503+l. Owt. % Nb205+0. 06wt. % Fe203+1. Owt. % LiBi02+0. 5wt. % CuO或Pba95La0.05 (Zr0.54Ti0.46) 0.987503+0 . 9wt. % Nb205+0. lwt. % Fe203+1. Owt. % LiBi02+0. 6wt. %CuO。本專利技術(shù)所述的高居里溫度、高電致應(yīng)變壓電陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟a)將 Pb3O4, ZrO2, TiO2, La2O3, Nb2O5 及 Fe2O3 原料按化學(xué)計(jì)量比為PbhLax (Zr ト yTiy)ト x/403+awt. % Nb205+bwt. % Fe2O3,其中0. 01 く x く 0. 06,0.45彡y彡0. 48，0. 6彡a彡3. 0，0 < b彡0. 2進(jìn)行配料；濕法球磨使其混合均勻；b)將上述混勻的物料進(jìn)行烘干、壓塊和合成，得到氧化鈮和氧化鐵復(fù)合摻雜的摻鑭鋯鈦酸鉛粉體；所述的合成分兩階段第一階段合成溫度為600 700°C，合成時(shí)間為I 4小時(shí)；第二階段合成溫度為800 900°C，合成時(shí)間為I 4小時(shí)；c)將燒結(jié)助劑 Li2CO3, Bi2O3 和 CuO 按化學(xué)計(jì)量比為 PVxLax (ZivyTiy)w4OJawt. %Nb205+bwt. % Fe203+cwt. % LiBi02+dwt.本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種高居里溫度、高電致應(yīng)變壓電陶瓷材料，其特征在于：材料組成為Pb1？xLax(Zr1？yTiy)1？x/4O3+awt.％Nb2O5+bwt.％Fe2O3+cwt.％LiBiO2+dwt.％CuO，其中：0.01≤x≤0.06，0.45≤y≤0.48，0.6≤a≤3.0，0＜b≤0.2，0.8≤c≤1.5，0＜d≤1.0。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種高居里溫度、高電致應(yīng)變壓電陶瓷材料，其特征在干材料組成為Pb1^Lax (Zr1^Tiy) !^Og+awt. % Nb205+bwt. % Fe203+cwt. % LiBi02+dwt. % CuO,其中0. 01 彡 X 彡 0. 06，0. 45 彡 y 彡 0. 48，0. 6 彡 a 彡 3. 0，0 < b 彡 0. 2，0. 8 彡 c 彡 I. 5,0< d < I. O。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高居里溫度、高電致應(yīng)變壓電陶瓷材料，其特征在于材料組成為 PlvxLax (Zr卜yTiy)卜x/403+awt. % Nb205+bwt. % Fe203+cwt. % LiBi02+dwt. % CuO,其中0. 02 彡 X 彡 0. 05,0. 46 彡 y 彡 0. 48,0. 6 彡 a 彡 2. 0,0. 06 彡 b 彡 0. 1,0. 8 彡 c 彡 I. 2，0. 5 ^ d ^ I. O03.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高居里溫度、高電致應(yīng)變壓電陶瓷材料，其特征在干材料組成為 Pba97Laaci3(Zra54Tia46)a 9925CVKXgwt. % Nb205+0. lwt. % Fe203+1. 2wt. %LiBi02+0. 6wt. % CuO 或 Pb0.98La0.02 (Zr0.54Ti0.46) 0.99503+l. Owt. % Nb205+0. 06wt. %Fe203+1. Owt. % LiBi02+0. 5wt. % CuO 或 Pb0.95La0.05(Zr0.54Ti0.46) 0.987503+0. 9wt. %Nb205+0. lwt. % Fe203+1. Owt. % LiBi02+0. 6wt. % CuO。4.一種權(quán)利要求I所述的高居里溫度、高電致應(yīng)變壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 a)將Pb3O4, ZrO2, TiO2, La2O3, Nb2O5 及 Fe2O3 原料按化學(xué)計(jì)量比為PbhLax (Zr ト yTiy)ト x/403+awt. % Nb205+bwt. % Fe2O3,其中0. 01 く x く 0. 06,0. 45彡y彡0. 48，0. 6彡a彡3. 0，0 < b彡0. 2進(jìn)行配料；濕法球磨使其混合均勻； b)將上述混勻...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：梁瑞虹，董顯林，李玉臣，高敏，姚烈，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：