一种无铅压电陶瓷组合物及压电传感器元件

技术领域

本发明涉及陶瓷制备技术领域，具体涉及一种无铅压电陶瓷组合物及压电传感器元件。

背景技术

压电陶瓷是一种能够实现机械能与电能相互转化的功能陶瓷，可用于压电换能器、压电驱动器和压电传感器等器件中，目前已被广泛应用于各种需要进行超精密加工的现代科学技术中。

目前，市场上广泛应用的是Jaffe等人在1954年发现的具有强压电效应的锆钛酸铅(PZT)陶瓷。随后发展出了大量兼具优异压电性能和良好温度稳定性的铅基压电陶瓷，在市场占据主导地位，然而传统的铅基压电陶瓷含有高浓度的铅(Pb)元素，而铅是一种对人体危害极大的有毒重金属，铅及其化合物进入机体后将对神经、造血、消化、肾脏、心血管和内分泌等多个系统造成危害。与此同时，铅元素对生态环境也存在危害性，其回收成本很高。

因此，我们提出了一种不含有铅元素的无铅压电陶瓷组合物及压电传感器元件。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种无铅压电陶瓷组合物及压电传感器元件。

一种无铅压电陶瓷组合物，无铅压电陶瓷组合物的化学通式为：

x(K

其中，x、y、z为摩尔分数，x+y+z＝1，0.95≤x≤0.96，0.025≤y≤0.035，0.015≤z≤0.016；

α为(Fe

Fe

无铅压电陶瓷组合物，制备方法包括如下步骤：

S1:球磨后过筛得到陶瓷粉末；

S2:对陶瓷粉末进行预烧造粒；

S3:对陶瓷粉料进行过筛及成型；

S4:制备无铅压电陶瓷组合物。

进一步地，步骤S1球磨后过筛得到陶瓷粉末，具体包括如下步骤：

S1.1：根据化学通式，称取碳酸钠、碳酸钾、五氧化二铌、三氧化二锑、氧化铋、碳酸钡、氧化锆、碳酸锂、二氧化钛、三氧化二铁、氧化锰；

S1.2：将原料与氧化锆球和酒精混合，在滚筒球磨机上运行28-30h，使原料被充分混合均匀，得到混合浆料；

S1.3：将球磨后的混合浆料在80-90℃的烘箱中经过干燥处理后，用低目数筛网进行一次过筛，得到陶瓷粉末。

进一步地，步骤S2对陶瓷粉末进行预烧造粒，具体包括如下步骤：

S2.1：将过筛后的陶瓷粉末在850-860℃预烧2-4h，得到预烧后的陶瓷粉末；

S2.2：将煅烧后的陶瓷粉末以250-300r/min的转速，在行星式球磨机球磨13-15h，将球磨后的浆料干燥得到二次球磨后的陶瓷粉末；

S2.3：向二次球磨后的陶瓷粉末内加入聚乙烯醇粘结剂对二次球磨后的陶瓷粉末进行造粒，得到造粒后的陶瓷粉料。

进一步地，步骤S3对陶瓷粉料进行过筛及成型，具体包括如下步骤：

S3.1：将造粒后的陶瓷粉料干燥后充分研磨至细粉，并用高目数筛网对其进行二次过筛；得到二次过筛后的陶瓷粉料；

S3.2：取5-10g二次过筛后的陶瓷粉料放入模具中，在8-10MPa的压力下压制成型，得到陶瓷粗胚。

进一步地，步骤S4制备无铅压电陶瓷组合物，具体包括如下步骤：

S4.1：将陶瓷粗胚置于马弗炉内以1-2℃/min的升温速率升至700-750℃，保温3-4h后随炉冷却，得到排胶后的陶瓷粗胚；

S4.2：将排胶后的陶瓷粗胚片置于高温炉中，在Ar氛围中进行烧结，得到无铅压电陶瓷组合物。

进一步地，步骤S1.1中的原料需要预先干燥24-25h。

进一步地，步骤S2.3中聚乙烯醇粘结剂的质量百分比为8-9wt％。

进一步地，步骤S4.2中具体烧结步骤为：先以13-15℃/min的速率升温至1090-1120℃，保温5-10min后，迅速降温到1050-1070℃，保温20-24h后自然降温。

一种压电传感器元件，包括上述无铅压电陶瓷组合物。

本发明与现有技术相比，至少具有如下有益效果：

1、本发明通过在KNN基陶瓷内加入Sb元素、(Bi

2、本发明通过Fe

附图说明

并入本文中并且构成说明书的部分的附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起进一步用来对本公开的原理进行解释，并且使相关领域技术人员能够实施和使用本公开。

图1为本发明实施例所采用的一种无铅压电陶瓷组合物的制备方法流程图；

图2为本发明实施例压电系数的对比表格图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种无铅压电陶瓷组合物及压电传感器元件进行详细描述。同时在这里做以说明的是，为了使实施例更加详尽，下面的实施例为最佳、优选实施例，对于一些公知技术本领域技术人员也可采用其他替代方式而进行实施；而且附图部分仅是为了更具体的描述实施例，而并不旨在对本发明进行具体的限定。

实施例1

一种无铅压电陶瓷组合物的化学通式为：

0.95K

一种无铅压电陶瓷组合物的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1:球磨后过筛得到陶瓷粉末

S1.1：将原料预先干燥24h，根据化学通式按照摩尔百分比，称取碳酸钠、碳酸钾、五氧化二铌、三氧化二锑、氧化铋、碳酸钡、氧化锆、碳酸锂、二氧化钛、三氧化二铁、氧化锰；

S1.2：将原料与氧化锆球和酒精混合，在滚筒球磨机上运行28-30h，使原料被充分混合均匀，得到混合浆料；

S1.3：将球磨后的混合浆料在80℃的烘箱中经过干燥处理后，用低目数筛网进行一次过筛，得到陶瓷粉末；

S2：对陶瓷粉末进行预烧造粒

S2.1：将过筛后的陶瓷粉末在850℃预烧2h，得到预烧后的陶瓷粉末；

S2.2：将煅烧后的陶瓷粉末以250r/min的转速，在行星式球磨机球磨13h，将球磨后的浆料干燥得到二次球磨后的陶瓷粉末；

S2.3：向二次球磨后的陶瓷粉末内加入8wt％聚乙烯醇粘结剂对二次球磨后的陶瓷粉末进行造粒，得到造粒后的陶瓷粉料；

S3：对陶瓷粉料进行过筛及成型

S3.1：将造粒后的陶瓷粉料干燥后充分研磨至细粉，并用高目数筛网对其进行二次过筛；得到二次过筛后的陶瓷粉料；

S3.2：取5-10g二次过筛后的陶瓷粉料放入模具中，在8MPa的压力下压制成型，得到陶瓷粗胚；

S4：制备无铅压电陶瓷组合物

S4.1：将陶瓷粗胚置于马弗炉内以1℃/min的升温速率升至700℃，保温3h后随炉冷却，得到排胶后的陶瓷粗胚；

S4.2：将排胶后的陶瓷粗胚片置于高温炉中，在Ar氛围中进行烧结，先以13℃/min的速率升温至1090℃，保温5-10min后，迅速降温到1050℃，保温20h后自然降温，得到无铅压电陶瓷组合物。

实施例2

一种无铅压电陶瓷组合物的化学通式为：

0.95K

一种无铅压电陶瓷组合物的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1:球磨后过筛得到陶瓷粉末

S1.1：将原料预先干燥25h，根据化学通式按照摩尔百分比，称取碳酸钠、碳酸钾、五氧化二铌、三氧化二锑、氧化铋、碳酸钡、氧化锆、碳酸锂、二氧化钛、三氧化二铁、氧化锰；

S1.2：将原料与氧化锆球和酒精混合，在滚筒球磨机上运行30h，使原料被充分混合均匀，得到混合浆料；

S1.3：将球磨后的混合浆料在90℃的烘箱中经过干燥处理后，用低目数筛网进行一次过筛，得到陶瓷粉末；

S2：对陶瓷粉末进行预烧造粒

S2.1：将过筛后的陶瓷粉末在860℃预烧4h，得到预烧后的陶瓷粉末；

S2.2：将煅烧后的陶瓷粉末以300r/min的转速，在行星式球磨机球磨15h，将球磨后的浆料干燥得到二次球磨后的陶瓷粉末；

S2.3：向二次球磨后的陶瓷粉末内加入8wt％聚乙烯醇粘结剂对二次球磨后的陶瓷粉末进行造粒，得到造粒后的陶瓷粉料；

S3：对陶瓷粉料进行过筛及成型

S3.1：将造粒后的陶瓷粉料干燥后充分研磨至细粉，并用高目数筛网对其进行二次过筛；得到二次过筛后的陶瓷粉料；

S3.2：取5g二次过筛后的陶瓷粉料放入模具中，在10MPa的压力下压制成型，得到陶瓷粗胚；

S4：制备无铅压电陶瓷组合物

S4.1：将陶瓷粗胚置于马弗炉内以2℃/min的升温速率升至750℃，保温4h后随炉冷却，得到排胶后的陶瓷粗胚；

S4.2：将排胶后的陶瓷粗胚片置于高温炉中，在Ar氛围中进行烧结，先以15℃/min的速率升温至1120℃，保温10min后，迅速降温到1070℃，保温24h后自然降温，得到无铅压电陶瓷组合物。

实施例3

一种无铅压电陶瓷组合物的化学通式为：

0.96K

一种无铅压电陶瓷组合物的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1:球磨后过筛得到陶瓷粉末

S1.1：将原料预先干燥24h，根据化学通式按照摩尔百分比，称取碳酸钠、碳酸钾、五氧化二铌、三氧化二锑、氧化铋、碳酸钡、氧化锆、碳酸锂、二氧化钛、三氧化二铁、氧化锰；

S1.2：将原料与氧化锆球和酒精混合，在滚筒球磨机上运行28h，使原料被充分混合均匀，得到混合浆料；

S1.3：将球磨后的混合浆料在80℃的烘箱中经过干燥处理后，用低目数筛网进行一次过筛，得到陶瓷粉末；

S2：对陶瓷粉末进行预烧造粒

S2.1：将过筛后的陶瓷粉末在850℃预烧2h，得到预烧后的陶瓷粉末；

S2.2：将煅烧后的陶瓷粉末以250r/min的转速，在行星式球磨机球磨13h，将球磨后的浆料干燥得到二次球磨后的陶瓷粉末；

S2.3：向二次球磨后的陶瓷粉末内加入9wt％聚乙烯醇粘结剂对二次球磨后的陶瓷粉末进行造粒，得到造粒后的陶瓷粉料；

S3：对陶瓷粉料进行过筛及成型

S3.1：将造粒后的陶瓷粉料干燥后充分研磨至细粉，并用高目数筛网对其进行二次过筛；得到二次过筛后的陶瓷粉料；

S3.2：取10g二次过筛后的陶瓷粉料放入模具中，在8MPa的压力下压制成型，得到陶瓷粗胚；

S4：制备无铅压电陶瓷组合物

S4.1：将陶瓷粗胚置于马弗炉内以1℃/min的升温速率升至700℃，保温3h后随炉冷却，得到排胶后的陶瓷粗胚；

S4.2：将排胶后的陶瓷粗胚片置于高温炉中，在Ar氛围中进行烧结，先以13℃/min的速率升温至1090℃，保温5min后，迅速降温到1050℃，保温20h后自然降温，得到无铅压电陶瓷组合物。

对比例1

与实施例1相比，对比例1的不同之处在于，对比例1为无铅压电陶瓷KNN，记为对比例1。

将实施例1、实施例2和实施例3制备的无铅压电陶瓷组合物与对比例1的无铅压电陶瓷KNN均镀上银电极，并在硅油中，4kV/mm电压下极化30分钟，将极化后的无铅压电陶瓷组合物在空气中静置24小时后，采用IEEE标准进行电学性能的测试，平行测试两次，结果参考图2，可以看出无铅压电陶瓷组合物的压电系数在406-417pC/N，均高于对比例1，无铅压电陶瓷组合物具有良好的压电系数。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。