一种高性能管状织构陶瓷、制备方法及应用

本发明属于织构压电陶瓷制备，具体涉及一种高性能管状织构陶瓷、制备方法及应用。

背景技术：

1、在使用压电陶瓷生产相关器件时，往往需要根据声音的发射方位、振动模式等要素设计器件所需的压电陶瓷介质的大小及形状。当需要360°发射声波时，往往采用小片压电陶瓷环形拼接制作一个拼接圆环，这种器件可用于水听器，探测器等多种应用。

2、随着科技的发展，对探测器的要求也不断提高，这种器件结构的弊端也逐渐出现：结构复杂，对压电陶瓷性能要求高且加工难度大。目前有水听器通过烧结整个圆环形压电陶瓷来替代这一结构，减少工艺难度并提高期间的灵敏度。目前圆环形压电陶瓷通常使用造粒后模压成形来制备圆环形压电材料或使用压电单晶与压电有机物复合制作圆环形器件。

3、现有技术的缺点/不足：

4、使用单晶/压电聚合物复合制备圆管形样品由于单晶本身的高性能，其性能较好。但这种复合圆环要求较高的加工精度，且由于压电聚合物可使用的温度较低，由于使用中样品本身发热以及环境影响易产生退极化降低性能，且该形状在高温下难以维持形状，实际应用较为困难。此外，由于压电单晶产量较低且生产成本高，这种复合圆管的使用成本较高。

5、使用造粒模压法成型的圆管压电陶瓷可以制备整体性较好且性能均匀的陶瓷，这种方法一般通过对粉体造粒并模压来制备出初始圆管形状，经过排胶、烧结后即可得到圆环形压电陶瓷。这一方法获得的陶瓷圆管由于其晶粒随机取向导致各向异性差，性能较低。

6、公开号为cn109888087a的专利申请文件，公开了压电陶瓷圆管，通过模具成型法制备了陶瓷圆管并刷银电极，但由于压电陶瓷本身各向异性差，从而产生的压电性能低问题。

7、公开号为cn105016715a的专利申请文件，公开了一种圆管形薄径陶瓷成品的生产方法，通过等静压成型法制备了陶瓷圆管，但由于这种方法仅能制备普通随机取向陶瓷从而产生的压电性能低问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高性能管状织构陶瓷、制备方法及应用，通过向基体粉中添加定向模板引导基体材料定向生长，能够提高材料取向性，从而提高材料特定方向压电性能。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种高性能管状织构陶瓷，所述高性能管状织构陶瓷为铌镁酸铅基管状织构陶瓷，其化学式为xpb(mg1/3nb2/3)o3-ypbzro3-zpbtio3，其中，x＝(0.00-0.90)，y＝(0.00-0.50)，z＝(0.10-0.50)。

4、所述铌镁酸铅基管状织构陶瓷的晶粒沿[001]c取向方向径向生长；

5、通过添加[001]c取向模板使织构后陶瓷晶粒沿模板生长，在[001]c方向具有取向性，将膜带绕制成圆管形使得材料的强取向性沿圆管径向方向。

6、一种高性能管状织构陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

7、步骤1，制备片状bi4ti3o12模板；

8、步骤2，将步骤1制备的bi4ti3o12模板作为前驱体，制备片状batio3模板；

9、步骤3，制备pmn-pzt基体粉；

10、步骤4，制备铌镁酸铅基管状织构陶瓷生坯：

11、对步骤2得到的片状batio3模板超声分散，对步骤3得到的pmn-pzt基体粉进行球磨分散，得到浆料，在浆料中加入增塑剂、粘结剂后球磨，得到含胶浆料；将超声分散后的片状batio3模板与含胶浆料混合搅拌，得到流延浆料；对流延浆料进行真空除泡、流延及干燥，得到陶瓷膜片，将陶瓷膜片切割、卷绕、温等静压及二次切割，得到铌镁酸铅基管状织构陶瓷生坯；

12、步骤5，织构陶瓷烧结：

13、将步骤4得到的铌镁酸铅基管状织构陶瓷生坯进行排胶及烧结，得到铌镁酸铅基管状织构陶瓷。

14、所述步骤1具体为：

15、步骤1.1，按照质量比计，将bi2o3：tio2：nacl：kcl＝(0.22-0.62)：(0.05-0.09)：(0.01-0.41)：(0.08-0.58)充分混合球磨18～24小时，得到第一原料混合物，将球磨后的第一原料混合物在80～100℃下干燥12～24小时，研磨，过60-80目筛后，将粉体在900～1250℃煅烧1-3小时合成bi4ti3o12和nacl/kcl的混合物；

16、步骤1.2，将步骤1.1得到的bi4ti3o12和nacl/kcl的混合物进行水洗、烘干，得到bi4ti3o12模板。

17、所述步骤2具体为：

18、步骤2.1，按照质量比计，将baco3：nacl：kcl＝(0.23-0.43)：(0.11-0.31)：(0.18-0.38)充分混合球磨18～24小时，得到第二原料混合物，再按照质量比计，将步骤1.2得到的bi4ti3o12模板：第二原料混合物＝0.16：0.84，混合磁力搅拌10-24h后，在80～100℃下干燥12～24小时，过60-80目筛后，得到的粉体在900～1150℃煅烧1-3小时合成batio3、bi2o3和nacl/kcl的混合物；

19、步骤2.2，将步骤2.1得到的batio3、bi2o3和nacl/kcl的混合物先水洗，再加入10-60mol/l浓度硝酸去除bi2o3，烘干，烘干后得到片状batio3模板。

20、所述步骤3具体为：

21、步骤3.1，按照质量比计，将mgo：nb2o5＝(1.00-1.50)：(8.50-8.90)充分混合球磨18～24小时，得到第三原料混合物，将第三原料混合物在80～100℃下干燥12～24小时，研磨，粉体过60-80目筛，得到mn基体粉；

22、步骤3.2，将步骤3.1得到的mn基体粉在850-1050℃煅烧1-3小时后随炉冷却至室温，研磨，得到预烧mgnb2o6前驱体粉(mn)；

23、步骤3.3，将步骤3.2得到的预烧mgnb2o6前驱体粉(mn)球磨混合12～24小时后，得到预烧粉，将预烧粉在80～100℃下干燥12～24小时，研磨，过60-80目筛，得到预烧mn；

24、步骤3.4，将pbo、步骤3.3得到的预烧mn、zro2和tio2进行混合，球磨18～24小时后，在80～100℃下干燥12～24小时，研磨，粉体过60-80目筛，得到xpb(mg1/3nb2/3)o3-ypbzro3-zpbtio3，其中，x＝(0.00-0.90)，y＝(0.00-0.50)，z＝(0.10-0.50)，得到pmn-pzt基体粉；

25、步骤3.5，将步骤3.4得到的pmn-pzt基体粉在700-1100℃煅烧1-3小时后冷却至室温后，得到预烧xpb(mg1/3nb2/3)o3-ypbzro3-zpbtio3基体粉(pmn-pzt)，其中，x＝(0.00-0.90)，y＝(0.00-0.50)，z＝(0.10-0.50)；

26、步骤3.6，将步骤3.5得到的预烧pmn-pzt基体粉球磨混合12～24小时，得到预烧粉，将预烧粉在80～100℃下干燥12～24小时，过60-80目筛，过筛后得到pmn-pzt基体粉。

27、所述步骤4具体为：

28、步骤4.1，将步骤3.6二次球磨后的pmn-pzt基体粉体球磨，球磨10～48h，得到浆料；

29、步骤4.2，加入增塑剂、粘结剂：在步骤4.1浆料初步分散完成后，依次加入粘合剂和增塑剂，其中，粘合剂为pmn-pzt基体粉质量比的5-8％，增塑剂为pmn-pzt基体粉质量比的2-3％，继续球磨10～48小时，得到含胶浆料；

30、步骤4.3，按质量比计，将步骤2.2得到的片状batio3模板：乙醇-二甲苯溶剂：分散剂＝(0.01-0.02)：(10-14)：(0.01-0.03)超声分散(10-14)min后，得到超声分散后的片状batio3模板；按照质量比计，将步骤4.2得到的含胶浆料：超声分散后的片状batio3模板＝(1.00-1.50)：(0.01-0.02)混合搅拌10～48小时，得到流延浆料；

31、步骤4.4，将步骤4.3得到的流延浆料置于真空除泡装置内，在转速为100～300r/min的搅拌条件下除泡30-60min，得到去除气泡的浆料；

32、步骤4.5，利用流延机对步骤4.4去除气泡的浆料进行流延，流延速度为10～60cm/min，流延刮刀与底膜之间的高度为50～300μm，流延后干燥30～60min，得到陶瓷膜片，将陶瓷膜片进行切割，得到切割后的膜带；

33、步骤4.6，将步骤4.5得到的膜带剖开所需宽度，之后准备金属棒芯，使用绕卷机在20～60r/min的速度下绕卷，得到所需厚度后取出，得到初步成型的圆管形织构陶瓷生坯；

34、步骤4.7，对步骤4.6得到的初步成型的圆管形织构陶瓷生坯在压力为10～45mpa及水温为60～90℃的条件下，进行温等静压，保压时间为15～120min，得到陶瓷坯块；

35、步骤4.8，将步骤4.7压制后的陶瓷坯块使用车床修整织构陶瓷圆管生坯表面，并将圆管截至所需长度。

36、所述步骤5具体为：

37、步骤5.1，将低温炉以0.05～0.80℃/min的升温速率由室温升温至550～650℃，将步骤4.8切割后的陶瓷坯块在温度为550～650℃的条件下，排胶6-12h，排胶后，以0.1～0.8℃/min的降温速率条件下，将温度由550～650℃降低至室温，得到排胶后的陶瓷素坯；

38、步骤5.2，在空气气氛中，将步骤5.1排胶后的陶瓷素坯烧结，烧结温度为1000～1350℃，保温时间为2～20h，得到pmn-pzt织构陶瓷，沿径向[001]c织构度为98％以上。

39、所述步骤4.1中将二甲苯-乙醇混合溶液或二甲苯-乙酸乙酯作为球磨溶剂，将蓖麻油或鲱鱼油作为球磨分散剂；

40、所述步骤4.2中的粘合剂为聚乙烯醇缩丁醛pvb，增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯dbp；

41、所述步骤4.3中分散剂为蓖麻油。

42、一种高性能管状织构陶瓷的应用，所述高性能管状织构陶瓷为铌镁酸铅基管状织构陶瓷，铌镁酸铅基管状织构陶瓷用于圆管形换能器。

43、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

44、1、本发明通过预先合成烧结了基体粉所需的mn基体粉，从而避免焦绿石相出现导致材料性能降低的问题。

45、2、本发明通过向基体中添加定向模板引导材料基体定向生长的方法制备压电陶瓷，能够增强取向性，大幅提高材料在特定方向的压电性能。

46、3、本发明通过流延法制备膜带，并通过使用刚性棒芯卷绕圆管成型技术，带来沿径向具有高压电性能的管状压电陶瓷技术效果。

47、综上，与现有普通陶瓷圆管相比，本发明方法生产的织构陶瓷圆管在径向方向d33达到了1200pc/n,为普通陶瓷的5.2倍(230pc/n)；与单晶复合材料圆管相比，生产便利、产率高、成本低以及一致性好且织构陶瓷圆管在高温条件下性能稳定。