一种超高介电常数发射型压电陶瓷材料及其制备方法与流程
本发明属于压电陶瓷制造，涉及一种超高介电常数发射型压电陶瓷材料及其制备方法。
背景技术：
1、发射型压电陶瓷材料通常用于超声、水声发射换能器的装配上，因此普遍要求具有高耦合系数、高机械品质因数以及较小的介电损耗等特性。目前发射换能器使用的最多的是p4、p8系列材料；p4材料耦合系数高，机械品质因数qm≥600，介电损耗低，介电常数适中(εr3t＝1200～1500)，普遍应用于中功率发射换能器；p8材料耦合系数高，机械品质因数qm≥800，介电损耗低，介电常数较低(εr3t＝800～1200)，常应用于大功率发射换能器；关于超高介电常数发射型压电陶瓷材料的报告及专利在国内几乎见不到，急需填补国内相关种类压电陶瓷材料领域的空白。
2、随着国家海洋战略不断推进，向海图强的发展需求越来越高，进而对水声换能器提出了更高的要求；压电陶瓷作为水声换能器的核心元件，须满足水声换能器多样化需求，如某型声纳换能器要求压电陶瓷要同时具备超高介电常数、高耦合系数、低介电损耗及适中的机械品质因数等。目前，国内能满足上述性能需求的压电陶瓷厂家几乎没有，该类型压电陶瓷元件只能通过进口来获取，本发明正是为了满足上述应用需求的国产化替代而进行的。研制的压电陶瓷材料不仅具有超高介电常数(εr3t≥2600)，同时还具有高耦合系数(kp≥0.56)，低介电损耗(tgδ≤0.4％)及适中的机械品质因数(qm≥400)等特点，是一种性能优良的发射型压电陶瓷材料，能够满足发射型水声换能器对压电陶瓷材料性能的多样化需求，在水声以及国防工业等领域拥有广阔的应用前景。
技术实现思路
1、本发明的第一个目的是通过在二元系锆钛酸铅体系中引入不同组元体系成分以及元素掺杂改性，进而为水声发射换能器的制备提供一种超高介电常数发射型压电陶瓷材料的选择，可以满足水声换能器的多样化发展需求。
2、本发明的第二个目的在于提供了一种超高介电常数发射型压电陶瓷材料的制备方法。
3、本发明的第一个目的通过如下技术方案予以实现。一种超高介电常数发射型压电陶瓷材料，其组成式为，pb1-m-nsrmcan[(mn1/3w2/3)x(co1/3nb2/3)y(zrzti1-z)1-x-y]o3+awt％fe2o3+bwt％ceo2，其中0.06≤m≤0.10，0≤n≤0.05，0.03≤x≤0.10，0.05≤y≤0.09，0.47≤z≤0.53，0≤a≤0.09,0≤b≤0.05。
4、优选地，所述组成式中，m＝0.06、0.08或0.10，n＝0、0.03或0.05，x＝0.03、0.06或0.10，y＝0.05、0.07或0.9，z＝0.47、0.50或0.53，a＝0、0.04或0.09，b＝0、0.03或0.05。
5、优选地，所述压电陶瓷材料的介电常数εr3t≥2600，机械品质因数qm≥400，平面机电耦合系数kp≥0.56，介电损耗tgδ≤0.4％。
6、本发明的第二个目的通过如下技术方案予以实现，本发明所述一种超高介电常数发射型压电陶瓷材料，其具体制备步骤如下：
7、(1)配料：选用化学纯的pb3o4、zro2、tio2、srco3、caco3、mno2、nb2o5、co2o3、wo3、fe2o3、ceo2为原料，按照组成式配比称量，然后置于球磨罐中湿法球磨混料40～50小时后出浆烘干，其中球磨介质为去离子水和氧化锆球，球：料：水的重量比均为2.5～3：1：0.6～0.7；
8、(2)合成：将步骤(1)粉料压块后放入al203坩埚，在高保温隧道窑中以2℃/min的速度升温到650℃保温1.5～3小时，以2.5℃/min的速度升温到860～920℃保温2.5～3.5小时进行合成；
9、(3)成型及排塑：将步骤(2)料块破碎过筛，经湿法球磨100～140小时，烘干后加入占干燥粉体重量为4～8％聚乙烯醇粘结剂造粒，通过喷雾塔造粒出超细粉体，通过等静压设备在180mpa下保压30s成型出坯体；然后将坯体在高保温隧道窑中以2.5℃/min的速度升温到750～850℃保温3～5小时排塑；
10、(4)烧结：将步骤(3)坯体置于撒有锆粉的al203承烧板及坩埚中间，在高保温隧道窑中以2.5℃/min的速度升温到1240～1300℃保温2～3小时烧结；
11、(5)成品：将步骤(4)瓷件磨削至成品尺寸并经超声清洗后烘干，随后采用丝网工艺在其上、下表面印刷电极，烘干后置于网带炉中以3℃/min的速度升温到700～800℃保温20～30min烧银，最后在高压极化设备150～160℃的硅油中施加直流电场极化，得到最终的超高介电常数发射型压电陶瓷材料；
12、(6)测量：样品在室温静置5～7天后，在安捷伦4294a阻抗分析仪上测量元件的谐振频率fr、反谐振频率fa、及电容ct和介电损耗tgδ，通过cb/t 4314-2013计算机电耦合系数kp、qm和介电常数εr3t。采用tf analyzer 2000e测试样品在3kv/mm电场下及电滞回线。用magellan400场发射扫描电子显微镜对样品断面进行微观形貌表征。采用居里温度测试系统测出样品的介电温度曲线。
13、综上所述，本发明的优点如下：
14、1.本发明提供了一种超高介电常数发射型压电陶瓷材料，通过在现有锆钛酸铅二元系压电陶瓷基础上引入新的组元及元素掺杂改性，可以获得介电常数εr3t≥2600，机械品质因数qm≥400，平面机电耦合系数kp≥0.56，介电损耗tgδ≤0.4％的发射型压电陶瓷材料，能够满足发射型水声换能器对压电陶瓷材料性能的多样化需求。
15、2.本发明提供了一种超高介电常数发射型压电陶瓷材料的制备方法，所采用原材料均为市售的化学纯原料，结合现有常规的粉体制备技术，可以进行低成本大批量规模化生产，使得该类型发射型压电陶瓷材料在水声以及国防工业等领域拥有广阔的应用前景。
技术特征：
1.一种超高介电常数发射型压电陶瓷材料，其特征在于：该压电陶瓷材料的组成式为，pb1-m-nsrmcan[(mn1/3w2/3)x(co1/3nb2/3)y(zrzti 1-z)1-x-y]o3+awt％fe2o3+bwt％ceo2，其中0.06≤m≤0.10，0≤n≤0.05，0.03≤x≤0.10，0.05≤y≤0.09，0.47≤z≤0.53，0≤a≤0.09,0≤b≤0.05。
2.根据权利要求1所述的一种超高介电常数发射型压电陶瓷材料，其特征在于：所述组成式中，m＝0.06、0.08或0.10，n＝0、0.03或0.05，x＝0.03、0.06或0.10，y＝0.05、0.07或0.9，z＝0.47、0.50或0.53，a＝0、0.04或0.09，b＝0、0.03或0.05。
3.根据权利要求1～2任一所述的一种超高介电常数发射型压电陶瓷材料，其特征在于：所述压电陶瓷材料的介电常数εr3t≥2600，机械品质因数qm≥400，平面机电耦合系数kp≥0.56，介电损耗tgδ≤0.4％。
4.根据权利要求3所述的一种超高介电常数高压电应变发射型压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤如下：
技术总结
本发明公开了一种超高介电常数发射型压电陶瓷材料及其制备方法，属于压电陶瓷制造技术领域，该压电陶瓷材料的组成由下列化学通式来表示：Pb<subgt;1‑m‑n</subgt;Sr<subgt;m</subgt;Ca<subgt;n</subgt;[(Mn<subgt;1/3</subgt;W<subgt;2/3</subgt;)<subgt;x</subgt;(Co<subgt;1/3</subgt;Nb<subgt;2/3</subgt;)<subgt;y</subgt;(Zr<subgt;z</subgt;Ti<subgt;1‑z</subgt;)<subgt;1‑x‑y</subgt;]O<subgt;3</subgt;+awt％Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;+bwt％CeO<subgt;2</subgt;，其中0.06≤m≤0.10，0≤n≤0.05，0.03≤x≤0.10，0.05≤y≤0.09，0.47≤z≤0.53，0≤a≤0.09,0≤b≤0.05。制备出的压电陶瓷材料不仅具有超高介电常数(ε<subgt;r3</subgt;<supgt;T</supgt;≥2600)，同时还具有高耦合系数(kp≥0.56)，低介电损耗(tgδ≤0.4％)及适中的机械品质因数(Q<subgt;m</subgt;≥400)等特点,是一种综合性能优良的发射型压电陶瓷材料，能够满足水声发射换能器对压电陶瓷材料性能的多样化需求，在水声以及国防工业等领域具备广阔的应用前景。
技术研发人员：吴凡,盖学周,汪跃群,汪刚
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一五研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23