權(quán)利要求書： 1.一種鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，該制備方法具有如下步驟：

（1）、配料

將原料Pb3O4、BaCO3、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Fe2O3和(MgCO3)4Mg(OH)2?5H2O，按以下計量式：(Pb97%Ba3%)(0.75(Zr46%Ti54%)+0.25(Mg1/3Nb2/3))O3+0.1wt%Fe2O3混合后放入球磨罐中；球磨時間為8h，球磨機頻率為33.5Hz；球磨介質(zhì)為去離子水和瑪瑙球，瑪瑙球：料：去離子水的重量比為1.0：0.8：0.6；再將混合料分別放入烘箱內(nèi)烘干，然后放入研缽內(nèi)研磨，分別過篩；

（2）、合成

將步驟（1）中過篩后的粉料，分別放入坩堝內(nèi)，壓實，加蓋，密封，在合成爐中于850～

950℃合成，保溫2～4h，自然冷卻到室溫，出爐；

（3）、二次球磨

將步驟（2）的合成粉料放入球磨罐中球磨粉碎，球磨時間為8h，球磨機頻率為33.5Hz；

再將球磨后的粉料放入烘箱內(nèi)烘干，然后研磨、過篩；

（4）、壓片

將步驟（3）過篩后的粉料，向粉料中加入去離子水充分研磨進行造粒，用電動壓片機壓成柱狀，再將其搗碎，研磨過篩后采用電動壓片機和等靜壓機壓制成型為坯件；使用等靜壓機壓制成型的壓強為300MPa，壓制成型的坯件為直徑20mm、厚度1～1.5mm的圓柱狀坯件；

（5）、排膠

將步驟（4）的坯件放入馬弗爐中，以2℃/min的速率升溫至500℃后，隨爐自然冷卻至室溫；

（6）、燒結(jié)

將步驟（5）排膠后的坯件放進坩堝中加入與所制備材料同體系的粉料進行埋燒，以5℃/min的升溫速率升溫至1240℃燒結(jié)，保溫2h，隨爐自然冷卻至室溫，制得鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷；

（7）、涂電極與表面處理

將步驟（6）得到的鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷上下兩個面進行拋光至厚度為1mm，然后在上下表面利用絲網(wǎng)印刷的方式涂覆銀電極，以5℃/min的升溫速率升溫至800℃燒銀，保溫15min；冷卻取出后放入硅油中，在140～170℃條件下，使用高壓極化臺在直流電場下進行極化，直流電場極化場強為4300/mm，極化時間為30min，極化溫度為160℃，得到最終的鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷；

所述原料Pb3O4、BaCO3、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Fe2O3和(MgCO3)4Mg(OH)2?5H2O，均為市售的質(zhì)量純度≥99%的化學(xué)純原料。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述步驟（2）中，優(yōu)選的合成溫度為900℃，保溫時間為3h。

說明書： 一種鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷的制備方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明涉及壓電陶瓷的制備，尤其涉及一種鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷的制備方法。

背景技術(shù)[0002] 壓電材料是實現(xiàn)電能和機械能之間相互轉(zhuǎn)換的一類重要的功能材料。壓電陶瓷最早于100多年前被科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過不斷研究和探索，壓電陶瓷材料現(xiàn)已在國防建設(shè)、航

空航天、生物醫(yī)藥、海洋測量等高新技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其主要應(yīng)用有：壓電變壓器、

壓電超聲換能器、振蕩器、傳感器、壓電致動器等等。

[0003] 伴隨著現(xiàn)如今科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，無論是日常生活需求還是工業(yè)生產(chǎn)需求，都對壓電陶瓷的各種性能提出了更高的要求。越來越多的領(lǐng)域要求壓電陶瓷具有更高的壓電

常數(shù)和介電常數(shù)，除此之外，在某些特殊應(yīng)用上，除了高壓電常數(shù)和介電常數(shù)之外，也對壓

電陶瓷提出了其他的要求。如在大位移量致動器的應(yīng)用上，除了要求壓電陶瓷壓電常數(shù)和

介電常數(shù)較高以外，還要求其在電場驅(qū)動下具有較大的位移量等性能。

[0004] 在眾多的壓電陶瓷材料中，鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷是使用最多的壓電材料，鈮鎂酸鉛（PMN）壓電陶瓷是使用最多的電致伸縮材料。為了適應(yīng)日益豐富的市場需求，各種在電

場驅(qū)動下具有較大位移量的新材料及新工藝正不斷被研究者開發(fā)出來。壓電致動器通過應(yīng)

用壓電陶瓷所具有的施加電壓發(fā)生形變（伸長或收縮）的特性，可為微定位、閥門控制、減振

及聲發(fā)射等應(yīng)用提供有效的解決方案。壓電致動器具有線性、重復(fù)性好、響應(yīng)快和穩(wěn)定性強

等特點，是精密電驅(qū)動位移器件，具有廣泛的市場需求。以PMN?PZT為代表的三元系壓電陶

瓷具有更為優(yōu)越的性能，可以大幅度調(diào)節(jié)組成成分來改善其綜合性能。鉛基弛豫型復(fù)合鈣

鈦礦結(jié)構(gòu)PMN?PZT壓電陶瓷材料由于具有彌散相變的特點，其電致伸縮效應(yīng)較大，可用于制

作大位移量致動器。因此，由于PMN?PZT壓電陶瓷具有高介電、高壓電以及在電場驅(qū)動下具

有較大的位移量等性能目前已經(jīng)成為國內(nèi)外科研工作者的研究熱點。

發(fā)明內(nèi)容[0005] 本發(fā)明的目的是提高鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷在電場驅(qū)動下的位移量，通過調(diào)整Zr/Ti比提高電學(xué)性能，提供一種能具有較好的電學(xué)性能的鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛體系壓

電陶瓷。

[0006] 本發(fā)明選擇鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛壓電材料，通過在配方調(diào)整、制備工藝方面的一些研究，以期獲得具有優(yōu)良的壓電常數(shù)、介電常數(shù)以及在電場驅(qū)動下具有較大的位移量等性

能的壓電材料，以實現(xiàn)其在大位移量致動器上的應(yīng)用。

[0007] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷的制備方法，其特征在于，該制備方法具有如下步驟：

[0008] （1）、配料[0009] 將原料Pb3O4、BaCO3、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Fe2O3和(MgCO3)4Mg(OH)2?5H2O，按以下計量式：(Pb97Ba3)(0.75(ZrxTi100?x)+0.25(Mg1/3Nb2/3))O3+0.1wt%Fe2O3進行混合，式中x=45.0～

47.0，混合后放入球磨罐中；球磨介質(zhì)為去離子水和瑪瑙球，瑪瑙球：料：去離子水的重量比

為1.0：(0.4～0.8)：0.6；再將混合料分別放入烘箱內(nèi)烘干，然后放入研缽內(nèi)研磨，分別過

篩。

[0010] （2）、合成[0011] 將步驟（1）中過篩后的粉料，分別放入坩堝內(nèi)，壓實，加蓋，密封，在合成爐中于850～950℃合成，保溫2～4h，自然冷卻到室溫，出爐。

[0012] （3）、二次球磨[0013] 將步驟（2）的合成粉料放入球磨罐中球磨粉碎，再將球磨后的粉料放入烘箱內(nèi)烘干，然后研磨、過篩。

[0014] （4）、壓片[0015] 將步驟（3）過篩后的粉料，向粉料中加入去離子水充分研磨進行造粒，用電動壓片機壓成柱狀，再將其搗碎，研磨過篩后采用電動壓片機和等靜壓機壓制成型為坯件。

[0016] （5）、排膠[0017] 將步驟（4）的坯件放入馬弗爐中，以2～5℃/min的速率升溫至500～600℃后，隨爐自然冷卻至室溫。

[0018] （6）、燒結(jié)[0019] 將步驟（5）排膠后的坯件放進坩堝中加入與所制備材料同體系的粉料進行埋燒，以5～8℃/min的升溫速率升溫至1180～1260℃燒結(jié)，保溫1～3h，隨爐自然冷卻至室溫，制

得鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷。

[0020] （7）、涂電極與表面處理[0021] 將步驟（6）得到的鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷上下兩個面進行拋光至厚度為1～1.2mm，然后在上下表面利用絲網(wǎng)印刷的方式涂覆銀電極，以5～8℃/min的升溫速率升溫至

700～850℃燒銀，保溫10～15min；冷卻取出后放入硅油中，在140～170℃條件下，使用高壓

極化臺在直流電場下進行極化，得到最終的鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷。

[0022] 本發(fā)明所述原料Pb3O4、BaCO3、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Fe2O3和(MgCO3)4Mg(OH)2?5H2O，均為市售的質(zhì)量純度≥99%的化學(xué)純原料。

[0023] 本發(fā)明所述步驟（1）中，原料的計量式(Pb97Ba3)(0.75(ZrxTi100?x)+0.25(Mg1/3Nb2/3))O3+0.1wt%Fe2O3，其中x=46.0。

[0024] 本發(fā)明所述步驟（1）中，優(yōu)選的瑪瑙球：料：去離子水的重量比為1.0：0.8：0.6。[0025] 本發(fā)明所述步驟（1）和步驟（3）中，球磨時間為8h，球磨機頻率為33.5Hz。[0026] 本發(fā)明所述步驟（2）中，優(yōu)選的合成溫度為900℃，保溫時間為3h。[0027] 本發(fā)明所述步驟（4）中，使用等靜壓機壓制成型的壓強為300MPa，壓制成型的坯件為直徑20mm、厚度1 1.5mm的圓柱狀坯件。

~

[0028] 本發(fā)明所述步驟（5）中，優(yōu)選的升溫速率為2℃/min，溫度升至500℃。[0029] 本發(fā)明所述步驟（6）中，優(yōu)選的升溫速率為5℃/min，燒結(jié)溫度為1240℃，保溫時間為2h。

[0030] 本發(fā)明所述步驟（7）中，拋光后陶瓷片厚度為1mm；燒銀時優(yōu)選的升溫速率為5℃/min，溫度為800℃，保溫時間為15min；使用高壓極化臺進行極化，直流電場極化場強為

4300/mm，極化時間為30min，極化溫度為160℃。

[0031] 本發(fā)明的有益效果是：以(Pb97Ba3)(0.75(ZrxTi100?x)+0.25(Mg1/3Nb2/3))O3+0.1wt%Fe2O3壓電陶瓷為基礎(chǔ)，采用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法，通過原料配方與工藝的調(diào)整和改進，調(diào)節(jié)

Zr/Ti的比值來改善電學(xué)性能，提高了壓電陶瓷在電場驅(qū)動下的位移量，得到了一種綜合性

能較好的壓電陶瓷，其中介電常數(shù)εr=3000，壓電常數(shù)d33=637pC/N，750/mm電場強度驅(qū)動下

的位移量為6.58μm。本發(fā)明制備的壓電陶瓷材料主要應(yīng)用于壓電變壓器、濾波器、能量轉(zhuǎn)換

器，特別是壓電致動器等領(lǐng)域，可為微定位、閥門控制、減振及聲發(fā)射等方面的應(yīng)用提供有

效的解決方案。采用固相反應(yīng)法制得的壓電陶瓷工藝簡單，能夠有效降低成本。

附圖說明[0032] 圖1是本發(fā)明的介電常數(shù)εr圖譜；[0033] 圖2是本發(fā)明的壓電常數(shù)d33圖譜；[0034] 圖3是本發(fā)明的位移量圖譜。具體實施方式[0035] 以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明：[0036] 本發(fā)明采用的原料Pb3O4、BaCO3、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Fe2O3和(MgCO3)4Mg(OH)2?5H2O，均為市售的化學(xué)純原料（純度≥99%）。

[0037] 本發(fā)明的制備方法如下：[0038] （1）、配料[0039] 將原料Pb3O4、BaCO3、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Fe2O3和(MgCO3)4Mg(OH)2?5H2O，按以下計量式：(Pb97Ba3)(0.75(ZrxTi100?x)+0.25(Mg1/3Nb2/3))O3+0.1wt%Fe2O3進行混合，其中式中x=

46.0。式中，從左至右的97、3、0.75、x、100?x、0.25、1/3、2/3、3均為原料的摩爾百分比含量，

0.1wt%為Fe2O3的添加量占其它原料稱料總質(zhì)量的質(zhì)量百分比（以上所示計量式在壓電陶瓷

行業(yè)中通用）。以總質(zhì)量400.4g粉料為例，稱取Pb3O4、BaCO3、TiO2、ZrO2、Nb2O5、Fe2O3和

(MgCO3)4Mg(OH)2?5H2O的質(zhì)量分別為266.073g、7.141g、39.019g、51.282g、26.721g、0.400g

和9.764g。

[0040] 混合后放入球磨罐中；球磨介質(zhì)為去離子水和瑪瑙球，球：料：去離子水的重量比均為1.0：0.8：0.6，球磨時間為8h，球磨機頻率為33.5Hz；再將混合料分別放入烘箱內(nèi)于110

℃烘干，然后放入研缽內(nèi)研磨，分別過40目篩。

[0041] （2）、合成[0042] 將步驟（1）中過篩后的粉料，分別放入坩堝內(nèi)，壓實，加蓋，密封，在合成爐中于900℃合成，保溫3h，自然冷卻到室溫，出爐。

[0043] （3）、二次球磨[0044] 將步驟（2）的合成粉料放入球磨罐中球磨粉碎，球磨時間為8h，球磨機頻率為33.5Hz；再將球磨后的粉料放入烘箱內(nèi)于110℃烘干，然后研磨、40目過篩。

[0045] （4）、壓片[0046] 將步驟（3）過篩后的粉料，向粉料中加入去離子水充分研磨進行造粒，用電動壓片機壓成柱狀，再將其搗碎，研磨過篩后采用電動壓片機和等靜壓機壓制成型為坯件；使用等

靜壓機壓制成型的壓強為300MPa，壓制成型的坯件為直徑20mm、厚度1.5mm的圓柱狀坯件。

[0047] （5）、排膠[0048] 將步驟（4）的坯件放入馬弗爐中，升溫速率為2℃/min，溫度升至500℃后，隨爐自然冷卻至室溫。

[0049] （6）、燒結(jié)[0050] 將步驟（5）排膠后的坯件放進坩堝中加入與所制備材料同體系的粉料進行埋燒，升溫速率為5℃/min，燒結(jié)溫度為1240℃，保溫時間為2h；隨爐自然冷卻至室溫，制得鋯鈦酸

鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷。

[0051] （7）、涂電極與表面處理[0052] 將步驟（6）得到的鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷上下兩個面進行拋光，拋光后陶瓷片厚度為1mm；然后在上下表面利用絲網(wǎng)印刷的方式涂覆銀電極，燒銀時升溫速率為5℃/

min，溫度為800℃，保溫時間為15min；冷卻取出后放入硅油中，使用高壓極化臺進行極化，

直流電場極化場強為4300/mm，極化時間為30min，極化溫度為160℃，即得到最終的鋯鈦酸

鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷。

[0053] （8）、測試壓電性能[0054] 將步驟（7）極化后的壓電陶瓷，于室溫靜置24h，使用P90A型阻抗分析儀、ZJ?6A型準(zhǔn)靜態(tài)d33/d31測量儀和DGS?6C型電感測微儀測試其εr、d33和位移量等性能。

[0055] 具體實施例如下：[0056] x=45.0，燒結(jié)溫度為1180℃，1200℃，1220℃，1240℃，1260℃，分別記為實施例1?1、1?2、1?3、1?4、1?5；

[0057] x=45.5，燒結(jié)溫度為1180℃，1200℃，1220℃，1240℃，1260℃，分別記為實施例2?1、2?2、2?3、2?4、2?5；

[0058] x=46.0，燒結(jié)溫度為1180℃，1200℃，1220℃，1240℃，1260℃，分別記為實施例3?1、3?2、3?3、3?4、3?5；

[0059] x=46.5，燒結(jié)溫度為1180℃，1200℃，1220℃，1240℃，1260℃，分別記為實施例4?1、4?2、4?3、4?4、4?5；

[0060] x=47.0，燒結(jié)溫度為1180℃，1200℃，1220℃，1240℃，1260℃，分別記為實施例5?1、5?2、5?3、5?4、5?5。

[0061] 上述實施例的壓電性能及綜合性能測試結(jié)果列于表1，實施例3?4在不同電場強度驅(qū)動下的位移量結(jié)果列于表2。

[0062] 表1[0063][0064] 表2電場強度（/mm） 位移量（μm）

50 0.27

100 0.64

150 1.05

200 1.51

250 2.00

300 2.43

350 2.93

400 3.47

450 3.97

500 4.45

550 4.95

600 5.38

650 5.86

700 6.23

750 6.58

[0065] 實施例3?4為最佳實施例，當(dāng)x=46.0時，燒結(jié)溫度為1240℃時，εr=3000，d33=637pC/N，750/mm電場強度驅(qū)動下的位移量為6.58μm。

[0066] 圖1表明，隨著燒結(jié)溫度的增加，各成分對應(yīng)的介電常數(shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是由于當(dāng)燒結(jié)溫度較低時，陶瓷樣品晶粒生長不充分，氣孔等缺陷較多，致密性較差；

當(dāng)燒結(jié)溫度過高時，一些晶粒異常長大，導(dǎo)致陶瓷樣品內(nèi)部缺陷增加。在同一燒結(jié)溫度下，

隨Zr含量的增加，其介電常數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)Zr含量為46.0mol%，燒結(jié)溫度為

1240℃時，陶瓷樣品的介電常數(shù)最大。

[0067] 圖2表明，對于鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷，隨著燒結(jié)溫度的升高，陶瓷樣品的壓電性先增加后減小。當(dāng)燒結(jié)溫度為1240℃，Zr含量為46.0mol%時，陶瓷樣品具有最優(yōu)的壓電

性能，其壓電系數(shù)d33=637pC/N，說明此時鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛壓電陶瓷處于準(zhǔn)同型相界附

近，壓電性能最佳。研究表明：在鋯鈦酸鉛?鈮鎂酸鉛陶瓷中存在三方?四方相共存的準(zhǔn)同型

相界，在準(zhǔn)同型相界處，晶體結(jié)構(gòu)不相同的兩相能量處于不穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)微小的能量變化

便會導(dǎo)致兩相間的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變過程中晶體內(nèi)部會產(chǎn)生較多的缺陷，有利于電疇在外電場作

用下的轉(zhuǎn)向，使得壓電常數(shù)、介電常數(shù)等電學(xué)性能出現(xiàn)極大值。

[0068] 圖3表明，隨著驅(qū)動電場強度的增加，陶瓷樣品的位移量增加，當(dāng)驅(qū)動電場強度為750/mm時，陶瓷樣品的位移量最大為6.58μm。