一种在宽温区内具有高压电性能和温度稳定性的压电材料及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种在宽温区内具有高压电性能和温度稳定性的压电材料及其应用。所述的压电材料为不含焦绿石相的纯ABO3型钙钛矿结构，具有如下组成通式：(1-x-y)Pb(Mgl/3Nb2/3)O3-x PbTiO3-yXTiO3+z M，通式中：X为Ca、Ba、Sr中的至少一种；M为MnO2、ZnO、MgO中的至少一种；0.29<x≤0.38、0＜y≤0.1、0＜z≤0.1。本发明专利技术实现了PMN-PT材料在宽温区内同时具有高压电常数和近零温度系数，可满足在驱动器和传感器领域的应用要求，具有显著的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种在宽温区内具有高压电性能和温度稳定性的压电材料及其应用
本专利技术是涉及一种在宽温区内具有高压电性能和温度稳定性的压电材料及其应用，具体说，是涉及一种在宽温区具有高压电常数和近零压电常数温度系数的掺杂PMN-PT材料配方及该材料在驱动器和传感器领域的应用，属于功能材料
。
技术介绍
压电陶瓷是一类能够实现力电转换的信息功能材料，在驱动器和传感器等诸多领域都有着广泛的应用。目前广泛使用的压电陶瓷包括锆钛酸铅基压电陶瓷Pb(ZrxTih)O3 (PZT)及铅基复合钙钛矿压电陶瓷如(1-x) Pb (Mgl73Nb273) O3-XPbT13 (PMN-PT)、(1-χ)Pb (Znl73Nb273) O3-XPbT13 (PZN-PT)等。这些材料在常温下有优异的压电性能，但另一方面由于其压电常数强烈依赖于温度，如Pb (Zra52Tia48)O3陶瓷在100Κ左右的压电常数只有常温下的1/3，严重制约其在低温或者宽温区工作的器件应用。研究表明:造成压电材料性能不稳定的主要机制有:极化随温度的变化、相变、畴壁运动的冻结；带电畴处的电荷冻结等，其中相变和畴壁运动的冻结被认为是两个最重要因素。为了获得温度稳定的压电材料，传统的方法是对材料进行硬性掺杂，使在材料内部形成缺陷偶极子，对畴壁进行钉扎，以减弱或牺牲畴壁运动对压电材料的贡献。但这种方法有个很大的弊端，即所获得材料的压电性能相对于常温下大幅度下降。另外，有研究通过改变材料组成来调控(LiNaK) (NbTa) O3相变，提高了压电常数的温度稳定性。 铌镁酸铅钛酸铅PMN-PT是在准同型相界处具有高压电性能的铁电材料(ΡΜΝ-ΡΤ单晶d33>1500pC/N，k33>95% )。理论计算表明，其本征压电性能相对于PZT材料来说较大，即对材料进行硬性掺杂后其压电性能比PZT优异，因此其被认为是非常有潜力的宽温区使用压电材料。但有研究表明，PMN-PT材料由于其复杂的B位结构，很难获得像PZT那样的硬性掺杂；另一方面，PMN-PT材料在80 V附近存在铁电-铁电相变，在相变点附近压电常数随温度剧烈变动，还有研究通过掺杂In获得了高居里温度的PIN-PMN-PT材料，并将铁电-铁电相变点移动到100°C以上，一定程度上降低了材料在室温以上的温度依赖性，但是在低温下其压电性能依旧不稳定。最近，还有研究发现弛豫铁电单晶在三方和正交相界处切变压电常数d24温度稳定性好，但纵向压电应变常数d33和横向压电应变常数d31温度稳定性较差。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的是提供一种在宽温区内具有高压电性能和温度稳定性的压电材料及其应用，以满足压电材料在宽温区范围内的应用要求。 为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下: 一种在宽温区内具有高压电性能和温度稳定性的压电材料，其组成通式为(l-x-y)Pb (Mgl73Nb273) 03-χ PbTi03-yXTi03+z M，为不含焦绿石相的纯 ABO3 型钙钛矿结构，其中:X为Ca、Ba、Sr中的至少一种；M为MnO2' ZnO, MgO中的至少一种；0.29<x ( 0.38、0< y ^ 0.1、0 < z ^ 0.10 作为优选方案，所述压电材料的组成通式中，0.30 ^ 0.37,0.005 ^ y ^ 0.08、0.01 彡 z 彡 0.085。 本专利技术所述的压电材料的制备可先采用传统的固相合成法或先合成MgNb2O6再合成PMN-PT的两步合成法制得掺杂的PMN-PT陶瓷粉体，然后进行成型和烧结。 实验表明:通过调节组成通式中的x、y、z，可得到居里温度变动于160?180°C的不含焦绿石相的纯ABO3型钙钛矿结构的掺杂PMN-PT材料，该材料在25°C时的压电常数变动于400?700pC/N，在-75?100°C温度范围内压电常数基本不随温度变化(‘最高可稳定在580pC/N, d31最大可稳定在200pC/N),且在这一温度区间对材料施加不同强度的电场，材料发生的应变也不随温度变化。说明本专利技术所提供的掺杂PMN-PT材料是一种在宽温区内具有高压电性能和温度稳定性的压电材料，可应用于驱动器或传感器领域。 由于XT的自由能势垒比PT浅的多，因此本专利技术通过用XT取代PT，实现了对相界两相共存温度范围进行精密控制，从而达到该组分物理性能变化随温度变化可控的目的。另外，本专利技术同时结合化合物M(Mn02、Zn0、Mg0中的一种或多种)对体系进行适当的缺陷调控，通过控制畴壁运动对压电性能贡献的大小，从而获得宽温区内同时具有高压电常数和近零温度系数的掺杂PMN-PT材料。 与现有技术相比，本专利技术实现了 PMN-PT材料在宽温区内同时具有高压电常数和近零温度系数，可用于制备压电驱动器、压电马达、压力传感器、压电加速度计、压电陀螺仪、微质量传感器、超声换能器、储能等器件，尤其可满足在驱动器和传感器领域的应用要求，具有显著的应用价值。 【附图说明】 图1为实施例1所获得的压电材料的XRD图； 图2为实施例1所获得的压电材料的SEM图； 图3为实施例1所获得的压电材料的介电常数随温度的变化曲线； 图4为实施例1所获得的压电材料在电场下应变随温度的变化曲线； 图5为实施例2所获得的压电材料的压电d31与d33随温度的变化曲线； 图6为实施例2所获得的压电材料在2kV/cm电场下的应变幅值随温度的变化曲线。 【具体实施方式】 下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。本专利技术中所用的原料的纯度均为AR级或CP级；常温下d33由中科院声学所d33测试仪测得，d31和d33随温度变化是利用谐振-反谐振法测得。 实施例1 按照0.63Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-0.35PbTi03_0.02BaTi03+0.00 5Mn02+0.005Mg0 的化学计量比将PbO、MgCO3> T12, Nb2O5, BaCO3> MnO2进行配料，以去离子水为介质，经行星球磨混合5小时，粉体经充分干燥后于850°C合成4小时，然后再次行星球磨6小时即得掺杂的PMN-PT陶瓷粉体；加入粘结剂聚乙烯醇缩丁醛，经干压成型后在1150°C下烧结，即得所述的压电材料。 [0021 ] 图1为本实施例得到的压电材料的XRD谱图，由图1可见:该压电材料为纯相ABO3结构，不含焦绿石相。 图2为本实施例得到的压电材料的SEM照片，由图2可见:该压电材料具有极高的致密度。 图3为本实施例得到的压电材料的介电常数随温度的变化曲线，由图3可见:该压电材料的居里温度大约为160°C。 图4为本实施例得到的压电材料在2kV/cm单向电场下的应变随温度的变化曲线，由图4可见:该压电材料在-25?105°C范围内的最大应变量几乎不变。 另外，经检测，本实施例得到的压电材料在常温下的压电d33为580pC/N ;在-75?85°C温度区间内，d31稳定在约200pC/N ;在2kV/cm电场下，该压电材料在所施加电场方向的应变达0.11%。 实施例2 按照0.62Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-0.35P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在宽温区内具有高压电性能和温度稳定性的压电材料，其特征在于，为不含焦绿石相的纯ABO3型钙钛矿结构，具有如下组成通式：(1‑x‑y)Pb(Mg l/3Nb2/3)O3‑x PbTiO3‑yXTiO3+z M，通式中：X为Ca、Ba、Sr中的至少一种；M为MnO2、ZnO、MgO中的至少一种；0.29<x≤0.38、0＜y≤0.1、0＜z≤0.1。

【技术特征摘要】
1.一种在宽温区内具有高压电性能和温度稳定性的压电材料，其特征在于，为不含焦绿石相的纯ABO3型韩钛矿结构，具有如下组成通式:(1-x-y) Pb (Mg 1/3Nb2/3) 03-χPbTi03-yXTi03+z M，通式中:X 为 Ca、Ba、Sr 中的至少一种；M 为 MnO2' ZnO, MgO 中的至少一种；0.29<x ( 0.38、0 < y 彡 0.1、0 < z 彡 0.1。2.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国荣，黄立柱，曾江涛，赵伟，阮伟，阮学政，赵坤宇，程丽红，郑嘹赢，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31