低頻率常數改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料及其制備方法和應用技術

本發明專利技術涉及一種低頻率常數改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料及其制備方法和應用，所述低頻率常數改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料的化學組成為：xPb1-m-n(Lam·Sr)Nb2O6+y(y1PbTiO3+y2BiScO3)+pwt%CeO2+qwt%SiO2+uwt%Ta2O5，式中，0.001≤x≤1，0.001≤y≤1，x+y=1，0.01≤m+n≤0.5，0.001≤p≤2，0.001≤q≤2，0.001≤u≤2，0.6≤y1≤0.7，0.3≤y2≤0.4，y1+y2=1。本發明專利技術材料具有諧振頻率單一，靈敏度高，接收信號幅度寬，穩定性好的特點，可以應用于制備骨密度儀超聲換能器。

【技術實現步驟摘要】
低頻率常數改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料及其制備方法和應用
本專利技術主要涉及一種低頻率常數改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料及其制備方法和應用，屬于陶瓷組成與制備領域。
技術介紹
目前全世界約有2億人患有骨質疏松癥，其發病率已居各種常見疾病的第七位。 現中國有I. 43億60歲以上老人，近I億骨質疏松患者。上海市60歲以上老人中，骨質疏松癥的發病率女性為75. 5%，男性為24. 9%，其中60歲以上人群的骨質疏松發病率約50%。骨質疏松癥已成為老齡化社會中影響健康的一個嚴重問題。超聲透射法作為一種安全，便捷， 準確的檢測骨質密度的方法對于早期診斷骨質疏松癥，預測骨折的危險性和評估干預措施的效果具有重要意義。超聲骨密度測定儀采用聲波透射原理來檢測人體的骨質情況，具有檢查速度快、 診斷安全、準確、檢查方式方便、科學、評價依據可靠等特點。同時，考慮到隨著生活質量的提高，人們會對自身的健康越來越關注，超聲骨密度儀必將成為一種保健產品進入家庭，從這一點上來說，超聲骨密度儀蘊藏著更寬廣的市場前景。骨密度儀的核心部件是超聲換能器，本專利技術人著手于骨密度儀用超聲換能器的研制，從壓電陶瓷材料配方設計到匹配、背襯、粘貼工藝以及聲學測試系統等方面進行了大量的研究。骨密度儀超聲換能器的核心部件是符合要求的壓電陶瓷，本專利技術人根據換能器對材料的要求，以偏鈮酸鉛為主體，進行復合添加改性，最終完全達到骨密度儀超聲換能器的使用要求。目前國內還未發現有此類換能器，相應的這種低頻率常數改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料國內也未見報道。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種低頻率常數改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料及其制備方法和應用。在此，一方面，本專利技術提供一種低頻率常數改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料，其化學組成為！xPbimiXau · Sr) Nb206+y (Y1PbTi03+y2Bi ScO3) +pwt%Ce02+qwt%Si02+uwt%Ta205,式中， O. 001 ^ X ^ 1,0. 001 彡 y 彡 l,x+y=l,0. 01 ( m+n ( O. 5,0. 001 彡 p 彡 2,0. 001 ^ q ^ 2， O. 001 ^ u ^ 2,0. 6 ^ Y1 ^ O. 7,0. 3 ^ y2 ^ O. 4，yi+y2=l。其中 yi 優選為 O. 64，y2 優選為 O. 36。性能測試表明本專利技術的壓電陶瓷材料的介電常數ε 33Τ/ ε ο=600 ± 20，介電損耗tan δ ( O. 5%，居里溫度Τ。彡389 °C，壓電系數d33彡158pC/N,機電耦合系數 O. 40 ^ Kt ^ O. 42，頻率常數1350 ^ Nt ^ 1364。以上性能測試結果表明所述壓電陶瓷材料具有高的壓電活性和穩定性。另一方面，本專利技術還提供所述低頻率常數改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料的制備方法，包括配料、一次球磨、合成、二次球磨、成型、燒結、極化工序，且以Pb304、TiO2, SrC03、 Nb2O5, Ta2O5, Sc2O3> Bi203、La2O3> SiO2, CeO2為原料，按化學計量比進行所述配料。在本專利技術中，所述壓電陶瓷材料采用PbTiO3-BiScOdP PbNb2O6復合，可提高材料的壓電活性和穩定性。又,在采用PbTiO3-BiScO3和PbNb2O6復合的同時,還可進一步采用(La · Sr)復合取代A位的Pb2+離子。配方設計時并外加Ce02、SiO2, Ta2O5氧化物作為添加劑。這是一個整體多元復合效應，可以得到壓電活性和材料穩定性都較好的綜合性能，尤其是具有低頻率常數特性。將所述原料按化學計量比配料后進行所述一次球磨的時間可以為4 10h，優選為8h。較佳地，可以用去離子水和瑪瑙球作為介質。所述合成步驟包括兩次敞開粉末合成，其中第一次敞開粉末合成是在700°C 1100°C保溫O. 5 4h ;第二次敞開粉末合成是在1100°C 1300°C保溫O. 5 4h。兩次敞開粉末合成可促進合成的均勻性和充分性。所述二次球磨的球磨時間可以為12 48h。所述成型的壓力可以為150MPa 200MPa。所述燒結是在1270°C 1350°C保溫O. 5 4h。優選的燒結溫度和時間可以根據元件尺寸大小和燒結量而定。所述極化是在150°C 200°C,電壓3 7kv/mm下在娃油中進行10 lOOmin。較佳地，在所述極化之前還可以先上電極。又，在所述極化之后，還可以進行有機溶劑浸泡處理，浸泡時間可以在I小時以上，浸泡溶劑可以為汽油、酒精、丙酮等。再一方面，本專利技術還提供所述低頻率常數改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料在骨密度儀中的應用。已知骨密度儀換能器對材料的要求是規格Φ26ΜΧ2. Ptl 3mm;厚度頻率 f；=460kHz±20 ;諧振阻抗=Zr彡50 Ω ;反諧振阻抗=Za彡7kQ ;介電損耗tan δ ( 2. 0% ;壓電系數d33 ^ 130pC/N。而本專利技術提供的低頻率常數改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料的性能均符合上述要求，而且具有諧振頻率單一，靈敏度高，接收信號幅度寬，穩定性好的特點，因此可以應用于制備骨密度儀超聲換能器。具體實施方式以下結合下述實施方式進一步說明本專利技術，應理解，下述實施方式僅用于說明本專利技術，而非限制本專利技術。本專利技術的低頻率常數改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料的配方為χΡΙνπ_ηα&π· Sr) Nb206+y (y1PbTi03+y2BiSc03) +pwt%Ce02+qwt%Si02+uwt%Ta205,式中，0.001 ^ x ^ I, O. 001 彡 y 彡 l,x+y=l,0. 01 彡 m+n ( O. 5,0. 001 彡 p 彡 2,0. 001 ^ q ^ 2,0. 001 彡 u 彡 2，O.6 ^ Y1 ^ O. 7,0. 3 ^ y2 ^ O. 4，yi+y2=l0 本專利技術在設計配方時，通過 PbTiO3-BiScO3 和 PbNb2O6復合，同時采用(La .Sr)復合取代A位的Pb2+離子，并外加CeO2、SiO2、Ta2O5氧化物作為添加劑和改進工藝等手段，獲得了一種性能優良的壓電陶瓷材料。本專利技術的低頻率常數改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料的制備方法，包括一次球磨、合成、二次球磨、成型、燒結、極化工序，且以 Pb304、Ti02、SrC03、Nb205、Ta205、Sc203、Bi203、La203、 SiO2, CeO2為原料，按化學配比配料。更具體地，作為示例，本專利技術的方法可以包括如下步驟a)以Pb3O4' Ti02、SrCO3> Nb2O5' Ta2O5' Sc2O3> Bi2O3' La2O3' Si02、CeO2 為原料，按 XPb1H(Lam · Sr) Nb206+y (y1PbTi03+y2BiSc03) +pwt%Ce02+qwt%Si02+uwt%Ta205 (式中， O. 001 ^ X ^ 1,0. 001 彡 y 彡 l,x+y=l,0. 01 ( m+n ( O. 5,0. 001 彡 p 彡 2,0. 001 ^ q ^ 2，0.001 < u < 2,0. 6 < Y1 < O. 7,0. 3 < y2 <本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種低頻率常數改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料，其特征在于，所述壓電陶瓷材料的化學組成為：xPb1?m?n(Lam·Sr)Nb2O6+y(y1PbTiO3+y2BiScO3)+pwt%CeO2+qwt%SiO2+uwt%Ta2O5，式中，0.001≤x≤1，0.001≤y≤1，x+y=1，0.01≤m+n≤0.5，0.001≤p≤2，0.001≤q≤2，0.001≤u≤2，0.6≤y1≤0.7，0.3≤y2≤0.4，y1+y2=1。

【技術特征摘要】
1.一種低頻率常數改性偏鈮酸鉛壓電陶瓷材料，其特征在于，所述壓電陶瓷材料的化學組成為=XPb1In(Lam · Sr)Nb206+y (Y1PbTi03+y2BiScO3) +pwt%Ce02+qwt%Si02+uwt%Ta205,式中，O. 001 彡 X彡 1，0· 001 彡 l，x+y=l，0. 01 彡m+n彡 O. 5,0. 001 Sp 彡 2，O. 001 Sq彡 2，O.001 ^ u ^ 2,0. 6 ^ Y1 ^ O. 7, O. 3 ^ y2 ^ O. 4, Y^y2=I。2.根據權利要求I所述的壓電陶瓷材料，其特征在于，所述壓電陶瓷材料的介電常數ε 337 ε ο=600 ±20，介電損耗tan δ ( O. 5%，居里溫度T。彡389°C，壓電系數d33彡158pC/N，機電耦合系數O. 40 ^ Kt ^ O. 42，頻率常數1350 ^ Nt ^ 1364。3.—種權利要求I或2所述的壓電陶瓷材料的制備方法，其特征在于包括配料、一次球磨、合成、二次球磨、成型、燒結、極化工序，且以Pb304、Ti02、SrC03、...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李玉臣，董顯林，姚烈，
申請(專利權)人：中國科學院上海硅酸鹽研究所，
類型：發明
國別省市：