高带宽压电陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种压电陶瓷及其制备方法，尤其涉及一种高带宽压电陶瓷及其制备方法；属于电子元器件制备方法。
背景技术
压电蜂鸣器、报警器、压电泵是利用压电陶瓷片的逆压电效应产生机械形变实现发声或液体传输；具有高可靠性、低功耗、低噪声及小体积等优点。
压电陶瓷片的带宽在很大程度上决定了发声器件的声压。通常，当带宽≥18%时相应发生器件的声压≥80db，可满足使用要求；但在户外或嘈杂环境中则无法满足使用要求，因而限制了蜂鸣器和报警器的使用范围。
压电陶瓷片的带宽决定了压电泵的流量。通常，当带宽≥20%时压电泵的流量≥300mL/min，可满足养鱼增氧泵的需求；但却无法满足饮水机、香薰机、增湿机等对流量有更高要求的设备。
因此为了拓宽发声器件或压电泵的应用范围，提高压电陶瓷片的带宽非常必要。
发明内容
针对现有技术中存在的由于压电陶瓷片带宽较窄而导致其引用范围受限的缺陷，本发明旨在提供一种高带宽压电陶瓷及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明提供的高带宽压电陶瓷的结构通式为：
(0.98-x)Pb(Zr,Ti)O3-xBiFeO3-0.02Pb(Sb1/3Nb2/3)O3+yat%SrCO3+zat%BaCO3；其中，Zr/Ti=1.35～1.2，x=0.01～0.05，y=0.05～0.1，z=0.07～0.1；所述结构通式中的铌锑-铁酸铋-锆钛酸铅四元系所占比例为90～98.5wt%%20。
优选地，Zr/Ti=1.3～1.25；
优选地，x=0.03；
优选地，y=0.08；
优选地，z=0.085。
为了制备上述高带宽压电陶瓷，本发明制备方法采用以下技术方案：
1）配料球磨%20将Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、Fe2O3、Sb2O3、Bi2O3、SrCO3、BaCO3按所述结构通式的化学计量比配料，球磨4h，烘干、过40目筛，得混合粉料；氧化锆球:原料:去离子水=2:1:1；
2）预烧%20将所述混合粉料按2.5℃/min的速率升温至900℃，保温2h随炉冷却，得熟料；
3）二次球磨%20将所述熟料球磨4h，烘干、过40目筛，得熟粉料；氧化锆球:原料:去离子水=2:1:0.8；
4）成型%20在所述熟粉料中加入20wt%的PVA，混匀后扎模成型，得瓷坯；
5）排胶烧结%20将所述瓷坯送入烧结炉中按0.5℃/min的速率升温至600℃排胶，之后再按1.5℃/min的速率升温至1270℃烧结，保温3h随炉冷却，得陶瓷片；
6）被银电极%20在所述瓷片表面印刷银浆料，烘干后在780℃的隧道炉中烧银2h，得被银电极陶瓷片；
7）极化%20在温度100℃的环境中、1.4KV/mm的电压下对被银电极陶瓷片进行极化30min，静置24h。
与现有技术比较，采用本发明提供的配方以及制备方法制备的压电陶瓷具有优异的介电以及压电性能，d33≥750pC/N、ε33T/ε0≥3800、带宽△f≥30%%20，可广泛应用在蜂鸣器、报警器、压电泵；而且制备工艺简单，成本低，易于批量生产。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明：
实施例1%20制备结构通式为：
(0.98-x)Pb(Zr,Ti)O3-xBiFeO3-0.02Pb(Sb1/3Nb2/3)O3+yat%SrCO3+zat%BaCO3
的高带宽压电陶瓷；其中，Zr/Ti=1.35，x=0.01，y=0.05，z=0.07；该结构通式中的铌锑-铁酸铋-锆钛酸铅四元系所占比例为98.5wt%%20；其步骤如下：
1）配料球磨%20在室温以及相对空气湿度≥60%的环境中，将纯度≥99%的Pb3O4、ZrO2、TiO2、Nb2O5、Fe2O3、Sb2O3、Bi2O3、SrCO3、BaCO3按上述结构通式的化学计量比进行配料，并将氧化锆球、上述原料、去离子水按2:1:1的重量比加入行星球磨机中球磨4h，烘干、过40目筛，得混合粉料；
2）预烧%20将所述混合粉料在20Mpa的压力下压制成Φ50×5㎜的块状，送入箱式炉中按2.5℃/min的速率升温至900℃，保温2h随炉冷却，破碎后得熟料；
3）二次球磨%20将氧化锆球、所述熟料、去离子水按2:1:0.8的重量比加入行星球磨机中球磨4h，烘干、过40目筛，得熟粉料；
4）成型%20在所述熟粉料中加入20wt%的PVA，混匀后扎模成Φ36×0.3㎜的瓷坯；
5）排胶烧结%20将所述瓷坯送入箱式炉中按0.5℃/min的速率升温至600℃排胶，之后再按1.5℃/min的速率升温至1270℃烧结，保温3h随炉冷却，得陶瓷片；
6）被银电极%20在所述瓷片表面印刷银浆料，隧道炉中烘干后在780℃环境中烧银2h，得被银电极陶瓷片；
7）极化%20在100℃的环境中、1.4KV/mm的电压下对被银电极陶瓷片进行极化30min，静置24h。
在阻抗分析仪上直接对本实施例制备的压电陶瓷的带宽（△f）进行测试，按公式△f=(fp/fs-1)×100%进行计算；式中，fp为反谐振频率（KHz），fs为谐振频率（KHz）；测试结果见表1。
实施例2%20按实施例1方法制备结构通式为：
(0.98-x)Pb(Zr,Ti)O3-xBiFeO3-0.02Pb(Sb1/3Nb2/3)O3+yat%SrCO3+zat%BaCO3
的高带宽压电陶瓷；其中，Zr/Ti=1.35，x=0.03，y=0.08，z=0.085；该结构通式中的铌锑-铁酸铋-锆钛酸铅四元系所占比例为96.7wt%%20；并按实施例1的方法测试本实施例制备的压电陶瓷的带宽，测试结果见表1。
实施例3%20按实施例1方法制备结构通式为：
(0.98-x)Pb(Zr,Ti)O3-xBiFeO3-0.02Pb(Sb1/3Nb2/3)O3+yat%SrCO3+zat%BaCO3的高带宽压电陶瓷；其中，Zr/Ti=1.35，x=0.05，y=0.1，z=0.1；该结构通式中的铌锑-铁酸铋-锆钛酸铅四元系所占比例为90.1wt%%20；并按实施例1的方法测试本实施例制备的压电陶瓷的带宽，测试结果见表1。
实施例4%20按实施例1方法制备结构通式为：
(0.98-x)Pb(Zr,Ti)O3-xBiFeO3-0.02Pb(Sb1/3Nb2/3)O3+yat%SrCO3+zat%BaCO3的高带宽压电陶瓷；其中，Zr/Ti=1.3，x=0.01，y=0.05，z=0.07；该结构通式中的铌锑-铁酸铋-锆钛酸铅四元系所占比例为98.2wt%%20；并按实施例1的方法测试本实施例制备的压电陶瓷的带宽，测试结果见表1。
实施例5%20按实施例1方法制备结构通式为：
(0.98-x)Pb(Zr,Ti)O3-xBiFeO3-0.02Pb(Sb1/3Nb2/3)O3+yat%SrCO3+zat%BaCO3
的高带宽压电陶瓷；其中，Zr/Ti=1.3，x=0.03，y=0.08，z=0.085；该结构通式中的铌锑-铁酸铋-锆钛酸铅四元系所占比例为95.9wt%%20；并按实施例1的方法测试本实施例制备的压电陶瓷的带宽，测试结果见表1。
实施例6%20按实施例1方法制备结构通式为：
(0.98-x)Pb(Zr,Ti)O3-xBiFeO3-0.02Pb(Sb1/3Nb2/3)O3+yat%SrCO3+zat%BaCO3
的高带宽压电陶瓷；其中，Zr/Ti=1.3，x=0.05，y=0.1，z=0.1；该结构通式中的铌锑-铁酸铋-锆钛酸铅四元系所占比例为91.4wt%%20；并按实施例1的方法测试本实施例制备的压电陶瓷的带宽，测试结果见表1。
实施例7%20按实施例1方法制备结构通式为：
(0.98-x)Pb(Zr,Ti)O3-xBiFeO3-0.02Pb(Sb1/3Nb2/3)O3+yat%SrCO3+zat%BaCO3
的高带宽压电陶瓷；其中，Zr/Ti=1.25，x=0.01，y=0.05，z=0.07；该结构通式中的铌锑-铁酸铋-锆钛酸铅四元系所占比例为98wt%%20；并按实施例1的方法测试本实施例制备的压电陶瓷的带宽，测试结果见表1。
实施例8%20按实施例1方法制备结构通式为：
(0.98-x)Pb(Zr,Ti)O3-xBiFeO3-0.02Pb(Sb1/3Nb2/3)O3+yat%SrCO3+zat%BaCO3
的高带宽压电陶瓷；其中，Zr/Ti=1.25，x=0.03，y=0.08，z=0.085；该结构通式中的铌锑-铁酸铋-锆钛酸铅四元系所占比例为95.3wt%%20；并按实施例1的方法测试本实施例制备的压电陶瓷的带宽，测试结果见表1。
实施例9%20按实施例1方法制备结构通式为：
(0.98-x)Pb(Zr,Ti)O3-xBiFeO3-0.02Pb(Sb1/3Nb2/3)O3+yat%SrCO3+zat%BaCO3
的高带宽压电陶瓷；其中，Zr/Ti=1.25，x=0.05，y=0.1，z=0.1；该结构通式中的铌锑-铁酸铋-锆钛酸铅四元系所占比例为91.8wt%%20；并按实施例1的方法测试本实施例制备的压电陶瓷的带宽，测试结果见表1。
实施例10%20按实施例1方法制备结构通式为：
(0.98-x)Pb(Zr,Ti)O3-xBiFeO3-0.02Pb(Sb1/3Nb2/3)O3+yat%SrCO3+zat%BaCO3
的高带宽压电陶瓷；其中，Zr/Ti=1.2，x=0.01，y=0.05，z=0.07；该结构通式中的铌锑-铁酸铋-锆钛酸铅四元系所占比例为97.6wt%%20；并按实施例1的方法测试本实施例制备的压电陶瓷的带宽，测试结果见表1。
实施例11%20按实施例1方法制备结构通式为：
(0.98-x)Pb(Zr,Ti)O3-xBiFeO3-0.02Pb(Sb1/3Nb2/3)O3+yat%SrCO3+zat%BaCO3
的高带宽压电陶瓷；其中，Zr/Ti=1.2，x=0.03，y=0.08，z=0.085；该结构通式中的铌锑-铁酸铋-锆钛酸铅四元系所占比例为94.9wt%%20；并按实施例1的方法测试本实施例制备的压电陶瓷的带宽，测试结果见表1。
实施例12%20按实施例1方法制备结构通式为：
(0.98-x)Pb(Zr,Ti)O3-xBiFeO3-0.02Pb(Sb1/3Nb2/3)O3+yat%SrCO3+zat%BaCO3
的高带宽压电陶瓷；其中，Zr/Ti=1.2，x=0.05，y=0.1，z=0.1；该结构通式中的铌锑-铁酸铋-锆钛酸铅四元系所占比例为92.3wt%%20；并按实施例1的方法测试本实施例制备的压电陶瓷的带宽，测试结果见表1。
表1：本发明压电陶瓷电性能指标测试表
以下是按照实施例1的方法制备的一组结构通式为：(0.98-x)Pb(Zr,Ti)O3-0.02Pb(Sb1/3Nb2/3)O3+yat%SrCO3+zat%BaCO3的压电陶瓷，并按实施例1的方法测试各对比例压电陶瓷的带宽。
对比例1 其中，Zr/Ti=1.35、y=0.05、z=0.07，该结构通式中的铌锑-锆钛酸铅三元系所占比例为98.4wt%；测试结果见表2。
对比例2 其中，Zr/Ti=1.35、y=0.1、z=0.1，该结构通式中的铌锑-锆钛酸铅三元系所占比例为90.5wt%；测试结果见表2。
对比例3 其中，Zr/Ti=1.3、y=0.05、z=0.07，该结构通式中的铌锑-锆钛酸铅三元系所占比例为98.2wt%；测试结果见表2。
对比例4 其中，Zr/Ti=1.3、y=0.1、z=0.1，该结构通式中的铌锑-锆钛酸铅三元系所占比例为90.3wt%；测试结果见表2。
对比例5 其中，Zr/Ti=1.25、y=0.05、z=0.07，该结构通式中的铌锑-锆钛酸铅三元系所占比例为98wt%；测试结果见表2。
对比例6 其中，Zr/Ti=1.25、y=0.1、z=0.1，该结构通式中的铌锑-锆钛酸铅三元系所占比例为90.2wt%；测试结果见表2。
对比例7 其中，Zr/Ti=1.2、y=0.05、z=0.07，该结构通式中的铌锑-锆钛酸铅三元系所占比例为97.9wt%；测试结果见表2。
对比例8 其中，Zr/Ti=1.2、y=0.1、z=0.1，该结构通式中的铌锑-锆钛酸铅三元系所占比例为90wt%；测试结果见表2。
在上述各对比例中，各原料的纯度均≥99% 。
表2：本发明方法制备的压电陶瓷电性能指标测试表
从表1、表2可以看出，采用本发明配方及方法制备的压电陶瓷片压电常数d33≥750（pC/N），相对介电常数ε33T/ε0≥3800，带宽△f≥27%；压电和介电性能优异、带宽大，可广泛应用于蜂鸣器、报警器、压电泵。
