[发明专利]一种压电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电材料，具体地，本发明涉及一种高压电系数d33、低机械品质因素Qm压电材料及其制备方法。

背景技术

材料从使用性能上可以分为结构材料和功能材料两大类，其中结构材料以其强度、韧性、硬度、弹性等力学特性为应用依据，功能材料以其电、磁、光、声、热等物理性能为基础，用以制作有特殊功能的器件。压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，是一类对机、电、声、光、热敏感的电子材料，广泛应用于工业部门和高科技领域。

压电材料分为压电陶瓷、压电晶体和压电复合材料。

BaTiO₃是最早发现的压电陶瓷，早在1949年日本就研究利用它的压电性设计鱼群探测器，其最大的缺点是谐频温度特性差。但是用Pb和Ca等元素部分地取代BaTiO₃中的Ba，可以改进BaTiO₃陶瓷的温度特性，故在广泛使用PZT压电陶瓷的今天，仍有部分压电换能器采用改性的BaTiO3压电陶瓷。像BaTiO₃那样的单元系压电陶瓷，还有PbTiO₃和PbZrO₃等。PbTiO₃陶瓷是一种钙钛矿结构的材料，它具有居里温度高（490℃）、各向异性（c/a=1.064）和介电常数小（ε=200）等特点。另外，它的谐频温度特性也比较好，并且频率常数比PZT高，所以是一种很有前途的高温高频压电材料。但是用常规方法很难获得致密的纯PbTiO₃压电陶瓷，所以人们往往采用引入添加物的方法对其进行改性。现在用Mn、W、Ca、Bi、La和Nb改性的PbTiO₃陶瓷，都具有良好的压电性能，是生产高频压电滤波器的优良材料。锆钛酸铅压电陶瓷简称PZT陶瓷，是压电陶瓷材料中用得最多最广的一种。PZT的机电耦合系数高，温度稳定性好，并且有较高的居里温度（～300℃）。用Sr、Ca、Mg等元素部分地取代PZT中的Pb，或者是通过添加Nb、La、Sb、Cr、Mn等元素来改性，可以制成许多不同用途的PZT型压电陶瓷，如PZT-4、PZT-5、PZT-6、PZT-7和PZT-8等。PZT陶瓷的出现，是压电陶瓷发展史上新的里程碑，其大大提高了压电陶瓷的性能并扩大了其应用范围。

压电器件及其应用的发展，取决于压电材料种类的更新和性能的提高。为了开发压电材料的新应用，在石英晶体之后，人们又研制出了罗息尔盐、KDP、ADP、EDT、DKT和LH等多种压电晶体。但是由于它们的性能往往存在某种或某些缺陷，例如罗息尔盐易水解等，所以随着人造石英的大量生产和压电陶瓷性能的提高，这些晶体现在大多已基本上不用了。现在石英晶体仍是最重要，也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等频控元件的压电材料。

在不同的使用场合，对压电材料的性能有不同的要求。从目前的材料性能来看，压电材料虽然具有较高的灵敏度，但是压电系数d33和机械品质因素Qm仍然比较高。

CN85100710B公开了一种包含有0.05g分子的锂锑酸铅，0.46g分子的钛酸铅和0.49g分子的锆酸铅，并以0.01至0.15的Sr置换Pb形成的陶瓷材料。该陶瓷材料具有极低的机械Q值，高的灵敏度，高的谐振阻抗及适宜的耦合系数，介电常数，且成本低，但该陶瓷材料并没有涉及压电系数d33方面。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种压电材料，所述压电材料兼具高压电系数d33以及低机械品质因素Qm的优点。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明所述压电材料，其化学组成如下所示：

Pb_1-x-yMe1_xMe2_y[(Ni_1/3Nb_2/3)_a·Zr_b·Ti_c]O₃  （Ⅰ）

其中：

Me1和Me2独立的选自Ba、Ca、Sr、Mg、La、Sb中的一种或者至少两种的组合；

x+y=0.02~0.1；

a为0.1~0.7；b为0.1~0.6；c为0.1~0.8，且a+b+c=1。

所述组合例如Ba和Ca的组合，Sr和Mg的组合，La和Sb的组合，Ca和Sr的组合，Mg和La的组合，Sb和Ba的组合，Ca、Ba、Sr的组合。