一种高压电系数低损耗的PNN-PHT材料及其制备方法

本发明涉及压电陶瓷材料，尤其涉及一种高压电系数低损耗的pnn-pht材料及其制备方法。

背景技术：

1、压电陶瓷是一种具有压电效应的信息功能材料,有良好的机电转换能力，因其制备简单、成本低、易于加工和便于大规模生产等特点，目前已经被广泛应用于制动器、多层电容器、传感器和换能器等领域，随着电子信息技术的飞速发展，对电子元器件的小型化、功能化、低成本、高稳定性的要求更高，压电陶瓷材料及其应用研究也在逐渐加深，各应用领域特别是高灵敏度低噪声传感器领域对压电材料的性能提出了更高的要求。

2、根据不同的应用场景，对压电材料的性能要求也各有不同，研究和提升单一性能己不能满足各项领域对压电陶瓷的要求。pnn-pht三元压电陶瓷是一种新型的且拥有较高压电性能的陶瓷体系。在所有基于pnn的压电陶瓷中，组分为0.49pb(nil/3nb2/3)o3-0.51pb(hf0.3ti0.7)o3的体系具有最高的压电常数，高达970pc/n，但它的机械品质因数(qm＝30)极低。与已经大范围应用的pzt-5，pzt-8等商用陶瓷相比，其机械品质因数和机电耦合系数较低，介电损耗较高，大大限制了其在高灵敏度低噪声传感器等领域的应用。因此，研发高压电性能低损耗的压电陶瓷对于推动高科技产业升级，促进国民经济和国防建设有着重大的战略价值。

技术实现思路

1、本申请针对现有技术的不足，本发明提供了一种高压电系数低损耗的pnn-pht材料及其制备方法。本发明制备的pnn-pht三元压电陶瓷，压电系数d33可达701pc/n，机械品质因数qm可达320，介电损耗0.65％。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明第一方面保护一种pnn-pnt三元压电陶瓷，所述pnn-pnt三元压电陶瓷的化学式为xmnnb2o6-0.51pb(hf0.3ti0.7)o3-0.49pb(nil/3nb2/3)o3，其中，0.0％＜x≤1.0％。

4、优选地，所述pnn-pnt三元压电陶瓷的化学式为xmnnb2o6-0.51pb(hf0.3ti0.7)o3-0.49pb(nil/3nb2/3)o3，其中，0.25％≤x≤0.75％。

5、本发明第二方面保护一种第一方面所述pnn-pnt三元压电陶瓷的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

6、s1：分别制备前驱体ninb2o6和mnnb2o6；

7、s2：制备xmnnb2o6-0.51pht-0.49pnn；

8、s3：将步骤s2制备的xmnnb2o6-0.51pht-0.49pnn球磨，烘干得到粉料；

9、s4：将粉料加聚乙烯醇溶液研磨后，压制为坯体；于20～30mpa保压20～30min后，得到保压坯件；

10、s5：将保压坯件排胶后，放入密闭坩埚中，用步骤s3制备的粉料埋粉烧结，得到pnn-pht三元压电陶瓷。

11、优选地，步骤s1中，前驱体ninb2o6的制备方法为：按照化学计量比称取nio与nb2o5，研磨后烘干，煅烧得到。

12、优选地，所述前驱体mnnb2o6的制备方法为：按照化学计量比称取mno与nb2o5，研磨后烘干，煅烧得到。

13、优选地，所述烘干的温度为60～100℃，时间为10～24h；所述煅烧是以2～5℃/min升温至1050～1250℃，并保温4～5h。

14、优选地，步骤s2的具体方法为：将步骤s1制备的前驱体ninb2o6、mnnb2o6与pbo、hfo2、tio2，按化学式xmnnb2o6-0.51pb(hf0.3ti0.7)o3-0.49pb(nil/3nb2/3)o3进行称料，其中0.00％＜x≤1.00％，混合得到球磨物料，研磨，烘干，煅烧得到。

15、优选地，所述球磨的时间为12～24h；所述烘干的温度为60～100℃，时间为10～24h；所述烧结是以2～5℃/min升温至800～1000℃，保温2～4h。

16、优选地，步骤s3中，所述球磨的介质为乙醇，xmnnb2o6-0.51pht-0.49pnn与乙醇的质量比为1～1.5:1.5～1.8；所述球磨的时间为12～24h；所述烘干的温度为60～100℃，时间为10～24h。

17、优选地，步骤s4中，所述粉料与聚乙烯醇溶液的质量体积比为4g：1～1.5ml；所述聚乙烯醇溶液的浓度为5～10wt％，所述压制的压力为8～12mpa。

18、优选地，步骤s5中，所述排胶是将排胶坯件放在马弗炉中进行，所述排胶是以1～5℃/min加热至550～650℃，保温2～4h，进行排胶；所述埋粉烧结是以1～5℃/min升温至1100～1200℃，保温2～3h。

19、本发明有益的技术效果在于：

20、本发明以pnn-pht三元压电陶瓷为基体，通过mnnb2o6进行锰离子掺杂，成功制备了同时具备高压电系数和低介电损耗的综合性能优异的适合高灵敏度低噪声传感器的压电陶瓷材料。

21、同时本发明通过组分调控和工艺优化，在高压电系数的pnn-pht体系中引入mnn，mn离子b位取代产生氧空位，氧空位与掺杂的金属阳离子形成缺陷偶极子，缺陷偶极子阻碍电畴的运动，在降低介电损耗方面有着关键作用。通过缺陷偶极子的钉扎效应，在保证高压电系数的前提下，有效的提升了材料的机械品质因数，大幅度降低了材料的介电损耗，获得了优异的综合性能。

22、本发明的制备方法简单、工艺步骤简单，过程易于控制，可重复性高，成品率高。

技术特征：

1.一种pnn-pnt三元压电陶瓷，其特征在于，所述pnn-pnt三元压电陶瓷的化学式为xmnnb2o6-0.51pb(hf0.3ti0.7)o3-0.49pb(nil/3nb2/3)o3，其中，0.0％＜x≤1.0％。

2.根据权利要求1所述的pnn-pnt三元压电陶瓷，其特征在于，所述pnn-pnt三元压电陶瓷的化学式为xmnnb2o6-0.51pb(hf0.3ti0.7)o3-0.49pb(nil/3nb2/3)o3，其中，0.25％≤x≤0.75％。

3.一种权利要求1-2任一项所述pnn-pnt三元压电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，前驱体ninb2o6的制备方法为：按照化学计量比称取nio与nb2o5，研磨后烘干，煅烧得到；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述烘干的温度为60～100℃，时间为10～24h；所述煅烧是以2～5℃/min升温至1050～1250℃，并保温4～5h。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s2的具体方法为：将步骤s1制备的前驱体ninb2o6、mnnb2o6与pbo、hfo2、tio2，按化学式xmnnb2o6-0.51pb(hf0.3ti0.7)o3-0.49pb(nil/3nb2/3)o3进行称料，其中0.00％＜x≤1.00％，混合得到球磨物料，研磨，烘干，煅烧得到。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的时间为12～24h；所述烘干的温度为60～100℃，时间为10～24h；所述烧结是以2～5℃/min升温至800～1000℃，保温2～4h。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述球磨的介质为乙醇，乙醇与xmnnb2o6-0.51pht-0.49pnn的质量比为1～1.5:1.5～1.8；所述球磨的时间为12～24h；所述烘干的温度为60～100℃，时间为10～24h。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述粉料与聚乙烯醇溶液的质量体积比为4g：1～1.5ml；所述聚乙烯醇溶液的浓度为5～10wt％，所述压制的压力为8～12mpa。

10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s5中，所述排胶是以1～5℃/min加热至550～650℃，保温2～4h，进行排胶；所述埋粉烧结是以1～5℃/min升温至1100～1200℃，保温2～3h。

技术总结本发明公开了一种高压电系数低损耗的PNN‑PHT材料及其制备方法。本发明所述PNN‑PNT三元压电陶瓷的化学式为xMnNb<subgt;2</subgt;O<subgt;6</subgt;‑0.51Pb(Hf<subgt;0.3</subgt;Ti<subgt;0.7</subgt;)O<subgt;3</subgt;‑0.49Pb(Ni<subgt;l/3</subgt;Nb<subgt;2/3</subgt;)O<subgt;3</subgt;，其中，0.0％＜x≤1.0％。本发明通过锰掺杂，在保证高压电系数的前提下，有效的提升了PNN‑PHT材料的机械品质因数，大幅度降低了材料的介电损耗，获得了优异的综合性能，同时制备方法简单、工艺步骤简单，过程易于控制，可重复性高，成品率高。技术研发人员：汪尧进,高悦,冯非凡,胡标,房泽受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18