[发明专利]低温烧结大功率压电陶瓷

说明书

技术领域

本发明涉及以成分为特征的陶瓷组合物，主要涉及PZT(锆钛酸铅)基压电陶瓷。

背景技术

压电陶瓷是一种十分关键的电子信息材料，它广泛应用于换能器、振子、变压器、传感器等领域。它的性能的优劣直接关系到相关器件的性能，所以对于高性能压电器件的研究及其重要。

而在当今应用的高性能压电陶瓷中，又以PZT基的压电陶瓷为主。PZT基压电陶瓷具有压电性能好、居里温度高、机电性能优良等特性，在当今工业生产中占据主导地位。但对于PZT基的压电陶瓷来说，其烧结温度大都在1200℃以上。由于PbO(氧化铅)在高温时易于挥发，这一方面会造成烧结过程中铅的挥发，使陶瓷的化学组成偏离化学计量比，从而使压电陶瓷的性能严重下降；另一方面铅的挥发会对人及环境造成不良影响。在当前的生产中，常使用埋烧法、密封烧结法或PbO过量法等来弥补铅挥发的损失，但是都不能从根本上消除PbO挥发。抑制PbO挥发较为有效的方法是实现压电陶瓷材料的低温烧结，即将PZT基压电陶瓷的烧结温度降低到PbO挥发的温度以下。同时，随着科技的发展对压电陶瓷的性能要求越来越高，就用于压电变压器的硬性压电材料来说，对其硬性性能要求越来越苛刻，一般的单片式陶瓷已很难满足高端使用要求。硬性压电性能主要表现为压电陶瓷的机械品质因数高、介电损耗低、矫顽场较高、产品颜色较深等；于此相对应的，软性压电性能主要表现为压电系数和介电系数高、介电损耗大、机械品质因数低、机电耦合系数高、产品颜色较浅等。压电变压器正是利用压电陶瓷的硬性性能以压电陶瓷为原材料制作的一种一体化的固体变压器，相对于传统的线绕式变压器具有高升压比、高转换效率、耐高温高压及短路烧毁、耐潮湿抗电磁干扰干扰、节约有色金属等优势，特别符合当前电子电路向集成化片式化发展的趋势。它主要有单层和多层两中类型，由于单层的功率有限，对于大功率的应用越来越倾向于多层压电变压器。

目前实现叠层结构使用较多，且较为行之有效的方法之一便是采用Pt(铂)、Pd(钯)等贵金属作内电极，从而实现多层叠合一次烧成。但Pt、Pd等贵金属成本相对较高，为降低成本，叠层结构器件一般要求采用导电能性良好、价格较低的Ag(银)作内电极。由于Ag熔点较低，烧结温度过高会造成银离子向陶瓷层扩散，从而使陶瓷材料的绝缘电阻降低。若能实现压电陶瓷的低温烧结则可较好的解决这两方面的问题。

目前，主要的低温烧结途径主要有以下三个：(a)添加助熔剂降低烧结温度；(b)通过改变制粉工艺提高粉体活性；(c)改进烧结工艺，采用热压烧结。其中添加助熔剂降低烧结温度的工艺最简单，成本最低廉，是一种比较接近工业化生产的方法。通过加入低熔点的化合物，在烧结初期形成液相，由于液相烧结中的晶粒重排、强化接触可提高晶界迁移率，使气孔充分排出，从而促进烧结致密化，达到降低烧结温度的目的。这方面的研究已经取得了较为理想的研究成果。

专利申请号为200410016324.0的“掺杂铌锰酸铅-锆钛酸铅压电陶瓷材料及其制备工艺”的专利申请，公开了一种低温烧结的具有硬性压电性能的陶瓷，其将烧结温度降低到1050℃。但从目前的技术状况来看，其烧结温度、介电常数和机械品质因数(分别是1050℃、1300、1450)都不够理想。

专利申请号为200810155055.4的“一种用于降低电声转换器压电陶瓷烧结温度的添加物”的专利申请，它是使用V₂O₅，Li₂CO₃和ZnO三种物质为烧结助剂，来降低铌锌-铌镍-锆钛酸铅的烧结温度，该系统软性性能较好(介电常数为2500～3500，平面机电耦合系数大于等于65％，压电系数大于等于450pc/N)；硬性性能较差，机械品质因数偏低，与本发明有很大差距，不适合压电变压器使用(介电损耗为小于等于2.0％，机械品质因数为70～450)。其烧结温度为960℃，也不如本发明的烧结温度低。

专利申请号为200810204463.4的“具有低烧结温度特性的铁电压电陶瓷组分、制备和应用”的专利申请，它是使用MnO₂作为添加物来降低PbZrO₃-PbTiO₃-Bi(Zn_1/2Ti_1/2)O₃的烧结温度，获得是具有硬性压电性能的低温烧结陶瓷。但其得到的压电陶瓷的介电常数、介电损耗等性能欠佳。

发明内容

本发明的目的是提供一种可低温烧结的、具有良好硬性压电性能的压电陶瓷的配方组成。