一种摇摆高压烧结细化铁电材料电畴来提升铁电性能的方法

本发明属于铁电陶瓷，更具体地说，本发明涉及一种摇摆高压烧结细化铁电材料电畴来提升铁电性能的方法。

背景技术：

1、锆钛酸铅(pzt)陶瓷是由锆酸铅(pbzro3)和钛酸铅(pbtio3)构成的固溶体，为一重要功能性陶瓷材料。因其具有较高的机电耦合系数、较高的居里温度、易于极化以及较宽的介电常数区间等优点，已广泛应用于医学成像、电子通讯、能源技术、航空航天以及国防工业等领域。其中，pzt95/5型陶瓷材料是指锆钛比(zr/ti)在95/5附近的压电陶瓷材料的总称，已经极化的pzt95/5陶瓷由于在较低的冲击压力下即可由亚稳态的铁电相转变为反铁电相，可以瞬时释放束缚的电荷，输出脉冲电流，是制备爆炸性诱导电荷储存装置的核心功能材料。

2、然而陶瓷的烧结制备是复杂的物理、化学过程，不同的烧结工艺对铁电陶瓷性能影响显著。从热力学观点看，烧结是系统总能量减少的过程，其本质是原子扩散，晶界网络形成、气相消除和晶粒连接等，结果表现为粉体致密化聚集和晶粒长大。而烧结工艺参数和粉末尺寸差异会显著影响致密度和晶粒尺寸。这是因为随着烧结体逐渐致密，由于体积扩散太慢，无法在烧结时间内消除孤立的(晶粒内的)气孔，因而气孔的位置和尺寸将成为影响烧结体性能较为关键的因素。此外，烧结工艺的差异会影响晶界的迁移过程，导致晶粒异常长大。

3、常用的陶瓷烧结工艺包括热压烧结、放电等离子烧结及无压烧结等方法。其中热压烧结有助于细化晶粒，减小孔隙和添加剂使用量，提高烧结密度和烧结效率，但热压烧结对设备要求比较高，过高的压力或温度亦会导致晶粒的异常长大，损害材料的性能。放电等离子烧结工艺通入高能脉冲电流活化粉体并经热塑变形和冷却等系列过程进行成型制备，在制备过程中产品性能波动大，对电源和设备的多功能性等方面存在特别要求，因此还不具备实际生产应用要求。常压烧结是目前实现规模化制备压电陶瓷的有效方法，但是由于原料粉体是在大气压下烧结成性，而且由于烧结温度较高会使晶粒异常长大，导致性能较差。而pzt95/5陶瓷粉体较普通pzt陶瓷而言更难烧结，其晶格结构稳定、粉体活性较低，锆离子的含量增加也增大了致密化烧结难度。此外，重要原料之一pbo熔点较低、易于挥发，也会影响其烧结性能。为了获得具有高密度、精细微观结构的pzt铁电陶瓷，烧结致密化过程需要与晶粒生长解耦。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

2、为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种摇摆高压烧结细化铁电材料电畴来提升铁电性能的方法，包括以下步骤：

3、步骤一、称量铁电陶瓷原料粉末，放入球磨罐中，进行湿法球磨，预烧、二次研磨、压制、排胶得到铁电陶瓷坯体；

4、步骤二、对制备得到的铁电陶瓷坯体进行摇摆振荡烧结；

5、步骤三、对摇摆振荡烧结得到的陶瓷片进行极化，得到铁电性能增强的铁电陶瓷。

6、优选的是，其中，所述步骤一的具体方法包括：

7、s11、称量二氧化钛、二氧化锆、四氧化三铅和五氧化二铌粉末作为铁电陶瓷原料粉末，用无水乙醇为溶剂，氧化锆为磨球，将铁电陶瓷原料粉末放入球磨罐中进行湿法球磨，其中，二氧化钛粉末的质量分数为1.14％，二氧化锆粉末的质量分数为33.42％，四氧化三铅粉末的质量分数为65.24％，五氧化二铌粉末的质量分数为0.2％；

8、s12、将球磨后的陶瓷浆料过筛后倒入容器中，在鼓风干燥箱中进行烘干；将烘干的陶瓷原料粉末倒入容器中，在鼓风干燥箱中进行烘干；将烘干的陶瓷原料粉末倒入研钵中进行研磨，过过筛后，放置坩埚内进行预烧，得到陶瓷块体；

9、s13、将预烧后的陶瓷块体进行二次研磨，然后再进行干燥处理，过筛；

10、s14、使用压机将过筛后的陶瓷粉末压制为圆形坯体；

11、s15、排胶的具体方法包括：从室温升温至第一温度，并进行保温，然后升温至第二温度进行保温，随炉冷却至室温取出，得到铁电陶瓷坯体。

12、优选的是，其中，所述s11中，磨球、铁电陶瓷原料粉末和溶剂的质量比为1～2:1.5～3:0.5～1，湿法球磨时间为12～36h，湿法球磨转速为300～400r/min。

13、优选的是，其中，所述s12中，烘干温度为60～100℃，烘干时间为24～60h，过筛目数为20～60目，预烧温度为800～900℃，烧结时间为2～6h。

14、优选的是，其中，所述s13中，二次球磨的转速为360～400r/min，二次球磨时间为6～24h，过筛目数为20～60目。

15、优选的是，其中，所述s14中，压机放入压制压力为6～15mpa，保压时间为5～20s，圆形坯体的直径为20～40mm，厚度为1～2mm。

16、优选的是，其中，所述s15中，排胶时以5～20℃/min的升温速度从室温升至350～450℃，保温20～40min，然后以相同的升温速度升至800～900℃，保温0.5～2h。

17、优选的是，其中，所述步骤二中的具体方法包括：设置烧结温度恒定为第三温度，烧结压力的低压为第一压力，保压一定时间，随后以第一升压速度升至第二压力，保压相同的时间，再以第一降压速度降至低压第一压力；依次循环三个周期，然后随炉冷却，取出样品。

18、优选的是，其中，所述第三温度为1000～1200℃，第一压力为90～110mpa，保压时间为8～16min，第一升压速度为15～25mpa/min，第二压力为150～250mpa，第一降压速度为15～25mpa/min。

19、优选的是，其中，所述步骤三中，对摇摆振荡烧结得到的陶瓷片进行极化的具体方法包括：陶瓷片置于二甲基硅油中，升温到80～120℃，保温20～40min并施加直流电压，电场强度为矫顽场的3倍，降温过程中保持电压，待降到室温时关闭极化电压取出陶瓷片，放置一天使陶瓷表面的电荷充分释放。

20、本发明至少包括以下有益效果：本发明通过引入摇摆高压烧结方法，成功优化了传统pzt95/5型陶瓷制备中的技术难题。该方法通过精准调控烧结参数，实现了致密化和抑制晶粒生长的协同控制，优化了陶瓷的微观结构，提高了致密度。不仅显著提高了铁电性能，剩余极化强度相对传统压力烧结提高了40％，而且在压电性能方面取得了约30％的提升，使该陶瓷在电学性能上表现更为出色。这一创新的制备方法既有效解决了pzt95/5陶瓷特殊性所带来的挑战，又为规模制备高性能铁电陶瓷提供了高效可行的途径，具有广泛的应用前景。

21、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

技术特征：

1.一种摇摆高压烧结细化铁电材料电畴来提升铁电性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的摇摆高压烧结细化铁电材料电畴来提升铁电性能的方法，其特征在于，所述步骤一的具体方法包括：

3.如权利要求2所述的摇摆高压烧结细化铁电材料电畴来提升铁电性能的方法，其特征在于，所述s11中，磨球、铁电陶瓷原料粉末和溶剂的质量比为1～2:1.5～3:0.5～1，湿法球磨时间为12～36h，湿法球磨转速为300～400r/min。

4.如权利要求2所述的摇摆高压烧结细化铁电材料电畴来提升铁电性能的方法，其特征在于，所述s12中，烘干温度为60～100℃，烘干时间为24～60h，过筛目数为20～60目，预烧温度为800～900℃，烧结时间为2～6h。

5.如权利要求2所述的摇摆高压烧结细化铁电材料电畴来提升铁电性能的方法，其特征在于，所述s13中，二次球磨的转速为360～400r/min，二次球磨时间为6～24h，过筛目数为20～60目。

6.如权利要求2所述的摇摆高压烧结细化铁电材料电畴来提升铁电性能的方法，其特征在于，所述s14中，压机放入压制压力为6～15mpa，保压时间为5～20s，圆形坯体的直径为20～40mm，厚度为1～2mm。

7.如权利要求2所述的摇摆高压烧结细化铁电材料电畴来提升铁电性能的方法，其特征在于，所述s15中，排胶时以5～20℃/min的升温速度从室温升至350～450℃，保温20～40min，然后以相同的升温速度升至800～900℃，保温0.5～2h。

8.如权利要求1所述的摇摆高压烧结细化铁电材料电畴来提升铁电性能的方法，其特征在于，所述步骤二中的具体方法包括：设置烧结温度恒定为第三温度，烧结压力的低压为第一压力，保压一定时间，随后以第一升压速度升至第二压力，保压相同的时间，再以第一降压速度降至低压第一压力；依次循环三个周期，然后随炉冷却，取出样品。

9.如权利要求8所述的摇摆高压烧结细化铁电材料电畴来提升铁电性能的方法，其特征在于，所述第三温度为1000～1200℃，第一压力为90～110mpa，保压时间为8～16min，第一升压速度为15～25mpa/min，第二压力为150～250mpa，第一降压速度为15～25mpa/min。

10.如权利要求1所述的摇摆高压烧结细化铁电材料电畴来提升铁电性能的方法，其特征在于，所述步骤三中，对摇摆振荡烧结得到的陶瓷片进行极化的具体方法包括：陶瓷片置于二甲基硅油中，升温到80～120℃，保温20～40min并施加直流电压，电场强度为矫顽场的3倍，降温过程中保持电压，待降到室温时关闭极化电压取出陶瓷片，放置一天使陶瓷表面的电荷充分释放。

技术总结本发明公开了一种摇摆高压烧结细化铁电材料电畴来提升铁电性能的方法，包括：称量铁电陶瓷原料粉末，进行湿法球磨，预烧、二次研磨、压制、排胶得到铁电陶瓷坯体；对制备得到的铁电陶瓷坯体进行摇摆振荡烧结；对摇摆振荡烧结得到的陶瓷片进行极化，得到铁电性能增强的铁电陶瓷。本发明通过引入摇摆高压烧结方法，成功优化了传统PZT95/5型陶瓷制备中的技术难题，通过精准调控烧结参数，实现了致密化和抑制晶粒生长的协同控制，优化了陶瓷的微观结构，提高了致密度。不仅显著提高了铁电性能，剩余极化强度相对传统压力烧结提高了40％，而且在压电性能方面取得了约30％的提升，使PZT95/5型陶瓷在电学性能上表现更为出色。技术研发人员：刘潇如,熊政伟,高志鹏,竹文坤,万莉莉受保护的技术使用者：西南科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11