一种PZT-Pb(Sb制造技术

本发明专利技术涉及一种PZT

【技术实现步骤摘要】
一种PZT-Pb(Sb
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)三元系压电陶瓷材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种PZT-Pb(Sb
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)三元系压电陶瓷材料及其制备方法和应用，具体涉及一种可在260℃稳定使用的PZT-Pb(Sb
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)三元系压电陶瓷材料及其制备方法和应用，属于压电陶瓷领域。

技术介绍

[0002]振动量的大小反映了物体、设备的运行状况好坏，对振动量的检测，几乎涉及到每个工程领域。要检测振动就要有振动测量仪，就少不了振动传感器。能在一定温度下正常工作的压电加速度传感器已被广泛应用于航空航天、核能、发电、汽车、船舶、潜艇等众多重要的科研和工业部门，来实现对系统的监测。尤其是在航空领域，因航空发动机的故障，造成机毁人亡的事故时常发生，特别是军用机。
[0003]我国的火箭、卫星、飞船正在不断地进行仿真试验，在地面试车台和发射过程中，它的氢氧发动机上(如发动机的基座、推力室等)都需要压电加速度传感器来监测监控发动机的振动。目前，上海和北京航天系统所用的压电加速度传感器有许多都是从国外进口。冶金系统中的轧钢机、钢板碾压机的振动检测，火力发电机组的振动检测，各种舰船上高速柴油机的振动监测，以及在各大中型企业中对大型运转设备的运行状况监控都需要压电加速度传感器。
[0004]在现代战争的地面进攻和预防各类如森林火灾、水灾等自然灾害中，直升飞机的作用是不可比拟的。由于直升飞机所需的升力、拉力以及改变飞行状态的控制力都是由螺旋桨提供的，而螺旋桨的高速旋转会引起旋翼、机身等的振动，因而在地面做强度试验、地面试车或者试飞过程中都要不同规格的加速度传感器进行监控，进行振动测量和分析，为实施减振、隔振或者实施振动主动抑制提供数据。据文献报道，振动是涡轮发动机常见的主要故障之一。选用合适的加速度传感器和介入信号分析装置可以测出叶子损坏、转子不平衡和传动齿轮附件失效等故障，发出早期报警，可避免二次损坏，防止事故发生。
[0005]压电加速度传感器在物体振动检测中，很多情况是要在高温环境下(超过260℃)进行的，因此压电陶瓷的使用温度和高温稳定性是关键因素。而压电陶瓷元件是压电加速度传感器的核心部件，压电陶瓷材料的性能优劣直接影响压电加速度传感器的检测效果。目前，国内充斥着大量的低端压电加速度传感器，高温稳定性差。而高温压电加速度传感器大都依靠进口，一个主要原因是缺少使用温度高、稳定性好的压电陶瓷材料。所以，研制综合性能好的压电陶瓷材料有着根本意义。
[0006]在石油测井领域，新一代多极阵列声波测井仪器是声波测井的最新技术，可以测量软、硬地层中充液井孔中的纵波、横波和斯通利波的波速、各种波动模式的衰减。为了满足我国复杂油气勘探和开发的需要，近年来我国斥巨资直接请斯仑贝谢测井公司来华服务，并引进了30多套包括多极子阵列声波成像仪(MAC、XMAC)和低频偶极横波测井仪(LFD)在内的成像测井系统，但是对于高端、先进的测井技术国外却对我国采取严格的保密措施。
因此，开发具有我国自主知识产权的新一代多极阵列声波测井仪，对于我国打破西方发达国家对测井技术的垄断，大幅度地降低勘探成本，赶超世界测井技术的先进水平具有重要意义。
[0007]目前，中石油和中海油正致力于新一代多极阵列声波测井仪器的研发。单极子接收换能器、数字声波发射换能器、接收换能器等是新一代多极阵列声波测井仪器的核心部件。由于测井作业的特殊环境，这类换能器不仅要满足声波测井在声学特性方面的要求，更重要的是要能够在高温高压下稳定工作。近年来，尽管国内有少数几家单位也在压电换能器方面做了积极的探索，但至今所研制的压电换能器还存在灵敏度偏低、分辨率不高以及在高温下性能不稳定等突出问题，不能真正满足井下勘探的使用要求，其关键是缺少能在高温、高压环境下可长期稳定工作的压电陶瓷材料，因此，高温压电陶瓷材料的研发已成为新一代多极阵列声波测井仪开发过程中遇到的一个重要技术瓶颈。
[0008]锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷是一种应用最为广泛的重要的压电陶瓷材料，它属ABO3型钙钛矿结构，人们通常对A位或B位的取代改性和添加物改性来改变材料的不同性能。当A、B位被施加钾、铁、锰、镁等“硬性”掺杂时，性能则表现为“硬”的一面，通常称为“硬”型压电陶瓷，其性能特征表现为机械品质因数(Qm)提高，介电损耗(tgδ)、机电耦合系数(kp)、介电常数(ε
33T
/ε0)减小。当A、B位被施加镧、铋、铌、锑“施主”掺杂时，性能则向“软”的方面转化，称为“软”型压电陶瓷，其性能特征是介电常数(ε
33T
/ε0)、介电损耗(tgδ)、机电耦合系数(kp)增大。不管是硬性材料还是软性材料，其使用温度一般约在175℃以下，高一些的可用在200℃。
[0009]综上所述，PZT-Pb(Sb
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)三元系压电陶瓷材料作为一种关乎国计民生的重要材料，已被众多科研和工业部门迫切需求。

技术实现思路

[0010]为此，本专利技术的目的在于提供一种全新的PZT-Pb(Sb
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)三元系压电陶瓷材料及其制备方法和应用，以满足其在260℃下稳定使用。
[0011]一方面，本专利技术提供了一种PZT-Pb(Sb
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)三元系压电陶瓷材料，所述PZT-Pb(Sb
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)三元系压电陶瓷材料包括：以锆钛酸铅和铌锑酸铅固溶体作为主要成分，以Si O2、MnO2、Sm2O3、Cr2O3和CeO2中的至少3种作为掺杂剂。
[0012]本公开中，选用锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷，锆钛比取在富钛的四方晶相一边，但又不过于偏离相界(过于偏离相界，压电活性比较低)；铌锑酸铅(Pb(Sb
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)与上述偏离相界的锆钛酸铅固溶，组成PZT-Pb(Sb
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)三元系压电陶瓷；掺杂SiO2、MnO2、Sm2O3、Cr2O3和CeO2添加物的至少3种，对材料进行改性。本专利技术对A位Pb
2+
采用微量的Sr
2+
和Ba
2+
复合取代，一方面有助于烧结，另一方面可提高材料的压电活性；掺杂软性添加物Sm2O3和中性添加物CeO2，并添加SiO2增加玻璃相改善晶界结构，MnO2掺杂可以加强晶粒间的结合，提高致密度，同时对电畴形成“钉扎”作用；在设计时精确控制各种添加物的含量，从而得到一种高稳定综合性能优异的新材料。这种复合掺杂，具有独特的机理，它即造成铅空位使得畴壁运动容易进行，同时又有少量的氧空位制约着电畴壁的运动，在一定量的基础上达到一种平衡，SiO2引入排在晶格之外，集中在晶粒间界附近，提高材料晶粒的致本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PZT-Pb(Sb
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)三元系压电陶瓷材料，其特征在于，所述PZT-Pb(Sb
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)三元系压电陶瓷材料包括：以锆钛酸铅和铌锑酸铅固溶体作为主要成分，以SiO2、Sm2O3、MnO2、Cr2O
3 和CeO2中的至少3种作为掺杂剂。2.根据权利要求1中所述的PZT-Pb(Sb
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)三元系压电陶瓷材料，其特征在于，所述PZT-Pb(Sb
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)三元系压电陶瓷料的化学组成为：Pb
1-x
M
x
(Zr
1-y
Ti
y
)
1-z
(Sb
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)
z
O
3 + awt.%SiO2+bwt.%Sm2O
3 + cwt.%Cr2O
3 + dwt.%CeO2+ewt.%MnO2；；其中，M为Sr
2+
和Ba
2+
中的至少一种，x=0.01～0.1，y=0.4～0.6，z=0.01～0.10，a=0～0.2，b=0.02～0.5，c=0.02～0.5，d=0.01～0.6，e=0～0.8。3.根据权利要求2所述的PZT-Pb(Sb
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)三元系压电陶瓷材料，其特征在于，所述M为Sr
2+
和Ba
2+
时，Sr
2+
和Ba
2+
的摩尔比为1：3。4.根据权利要求2或3所述的PZT-Pb(Sb
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【专利技术属性】
技术研发人员：李玉臣，周志勇，梁瑞虹，董显林，
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：