專利名稱：鈮鋅酸鉛－鋯鈦酸鉛鑭透明功能陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛鑭透明功能陶瓷及其制備方法。更確切地說(shuō)，是用改進(jìn)的陶瓷工藝來(lái)制備性能接近單晶的新的透明功能陶瓷材料，這種新材料兼有單晶的高性能、光學(xué)透明的優(yōu)點(diǎn)又有陶瓷材料具備的大尺寸、易加工、成本低的特點(diǎn)，屬于透明陶瓷材料領(lǐng)域。
利用改進(jìn)了的陶瓷工藝-----熱壓、通氧燒結(jié)工藝能有效地消除陶瓷中的氣孔、晶粒之間能緊密接觸使得晶界變得很薄、對(duì)于某些組分的陶瓷能通過(guò)這樣的工藝制備成光學(xué)上透明的陶瓷，如PZLT透明陶瓷。該透明陶瓷從380nm的可見光到11μm的紅外范圍都具有很高的透過(guò)率，呈現(xiàn)十分明顯的電光效應(yīng)，可用作電光快門、光率減、光存儲(chǔ)、光顯示等光學(xué)器件。但與PZN單晶性能相比，無(wú)論是光學(xué)性能還是介電性能仍有明顯的差距，透過(guò)率較PZN單晶低、電光系數(shù)小一個(gè)量級(jí)、紫外波段不透光即透光波段還不夠?qū)挕⒃诠馔ㄐ胖羞€存在大的插入損耗的問題，影響了它在光通信中的實(shí)際應(yīng)用。
雖然，PZN單晶具有特別優(yōu)異的介電、壓電和光學(xué)性能，但是單晶的生長(zhǎng)工藝復(fù)雜、成本高、均勻面積十分有限，因此也很難實(shí)現(xiàn)真正的應(yīng)用。
能否用陶瓷的工藝來(lái)制備一種新的透明的性能接近單晶的功能材料——PZN-PLZT，把PZN單晶和PLZT陶瓷的優(yōu)點(diǎn)加以迭加，并互補(bǔ)原來(lái)的缺點(diǎn)，這就引出本發(fā)明的目的。
本發(fā)明制備的PZN-PLZT透明陶瓷，其通式可表示為(Pb1-xLax)(Zn1/3，Nb2/3)1-y(Zr1-zTiz)yO3式中0＜x≤0.10；0.5≤y≤0.8；0.4≤z≤0.70該透明陶瓷具有優(yōu)異的壓電效應(yīng)，介電性能在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)光學(xué)透明，最佳組成為(Pb0.97La0.03)(Zn1/3，Nb2/3)0.3(Zr0.53Ti0.47)0.70O3。
本發(fā)明提供的PZN-PLZT陶瓷是用一般陶瓷工藝經(jīng)配料，在球磨筒中用ZrO2球均勻混合、烘干、碾磨成均勻粉體，再干壓成圓柱體，然后通氧熱壓后燒結(jié)。燒結(jié)過(guò)程的特征在于(1)在燒結(jié)過(guò)程中維持3公升/分的氧流量；(2)熱壓燒結(jié)條件是以200℃/小時(shí)速度升溫到950℃，保溫30分鐘；然后在升溫的同時(shí)逐漸加壓，以同樣的速率將溫度升到1200℃，壓強(qiáng)升到480Kg/cm2，保溫6小時(shí)；卸壓而溫度仍以200℃/小時(shí)速率升到1250℃，保溫10小時(shí)，使晶粒發(fā)育有足夠的能量，接著以140℃/小時(shí)速率降到950℃，隨爐冷卻。也可在升到1200℃，壓強(qiáng)升到480Kg/cm2，保溫6小時(shí)后卸壓且以140℃/小時(shí)速率降到950℃，隨爐冷卻。
本發(fā)明的相結(jié)構(gòu)由X衍射儀(D/MAX 2550V Raguku，Japan)確定，用掃描電鏡(SEM JSM-6700場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡)檢測(cè)樣品微結(jié)構(gòu)、從紫外到紅外的透光特性用Perkin UV/VIS(190nm-1100nm)和Perkin2000(1100nm-12000nm)分段測(cè)定，HP4284LRC用來(lái)研究材料的介電性能，壓電常數(shù)用Berlincour儀器測(cè)量。根據(jù)阿基米得定理測(cè)定PZN-PLZT陶瓷的體積密度。
用熱壓、通氧的工藝首次成功地制備成具有優(yōu)異性能的純鈣鈦礦的PZN-PLZT透明陶瓷(

圖1)。陶瓷內(nèi)沒有可檢測(cè)到的氣孔，晶粒間結(jié)合密切，晶界很薄(圖2)，密度達(dá)到8.04克/立方厘米，遠(yuǎn)高于普通陶瓷(7.6克/立方厘米)，在從紫外到紅外的寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)透明(圖3)，這是到目前為止，尚未見有報(bào)道的。電性能研究指出與PZN單晶和PLZT陶瓷一樣，PZN-PLZT的介電常數(shù)隨溫度和頻率的變化也呈現(xiàn)擴(kuò)散相變的特征，而居里溫度為240℃，比PZN和PLZT高(圖4)，即與PZN和PLZT相比工作的溫度范圍更寬。試樣的直徑可達(dá)5厘米(圖5)。
本發(fā)明提供的PZN-PLZT透明陶瓷特點(diǎn)是1、PZN-PLZT透明陶瓷內(nèi)沒有可用SEM和TEM檢測(cè)到的氣孔、晶粒之間緊密接觸、晶界很薄。
2、PZN-PLZT透明陶瓷的透過(guò)率是PZN單晶和PLZT透明陶瓷透過(guò)率的迭加，從紫外190nm到紅外11000nm范圍內(nèi)有高的透過(guò)率。
3.PZN-PLZT呈現(xiàn)純鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)，壓電性能較PLZT透明陶瓷提高，壓電常數(shù)與組分有關(guān)，在500-700pc/N范圍；呈現(xiàn)彌散相變行為；居里溫度為240℃，比PZN和PLZT的高。
4.與PZN單晶相比，成本低、均勻面積大，試樣直徑可達(dá)到5厘米。
圖2是PZN-PLZT陶瓷斷面的SEM照片。
圖3是PZN-PLZT陶瓷在紫外和紅外的透過(guò)率曲線。
圖4是PZN-PLZT介電常數(shù)與頻率和溫度的關(guān)系。
圖5是直徑為5厘米的PZN-PLZT透明陶瓷。
實(shí)施例1純度達(dá)99.4-99.8％高純度、顆粒度為微米量級(jí)的氧化鐵(PbO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈮(Nb2O5)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鈦(TiO2)和氧化鑭(La2O3)作為原始材料，按化學(xué)式量(Pb1-0.03La0.03)(Zn1/3Nb2/3)1-0.7(Zr1-0.47Ti0.47)0.7O3配制成混合的粉體，把粉體放入盛有酒精的塑料桶中，用氧化鋯球進(jìn)行混合，然后烘干、碾磨成均勻的粉體。再在100公斤的壓力下把粉體壓成直徑為60毫米、高為70毫米圓柱體。把圓柱體放入熱壓爐燒結(jié)，在燒結(jié)過(guò)程中維持有流量為3公升/分的氧氣流通過(guò)爐子。燒結(jié)條件如下以200℃/小時(shí)的升溫速度升到950℃時(shí)保溫半小時(shí)，然后在升溫的同時(shí)逐漸加上壓力，當(dāng)溫度升至1200℃時(shí)，壓力升到480公斤，在這樣的條件下保溫6個(gè)小時(shí)，壓力隨之去除，而溫度繼續(xù)以200℃/小時(shí)速度升到1250℃并保溫10小時(shí)。接著以140℃/小時(shí)的速率降溫到950℃然后自然冷卻到低于100℃時(shí)取出試樣。把燒結(jié)后的陶瓷樣品切割、拋光、制作電極以滿足測(cè)量電學(xué)和光學(xué)性能的要求。
實(shí)施例2按化學(xué)式量(Pb1-0.028La0.028)(Zn1/3Nb2/3)0.3(Zr1-0.47Ti0.47)0.7O3配制PZN-PLZT透明陶瓷，其他的工藝過(guò)程與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例3按化學(xué)式量(Pb1-0.032La0.032)(Zn1/3Nb2/3)0.3(Zr1-0.47Ti0.47)0.7O3配制PZN-PLZT透明陶瓷，其他的工藝過(guò)程與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例4按化學(xué)式量(Pb1-0.06La0.06)(Zn1/3Nb2/3)0.3(Zr1-0.47Ti0.47)0.7O3配制PZN-PLZT透明陶瓷，與實(shí)施例1不同的只是升溫到1200℃，壓強(qiáng)480Kg/cm2，保溫6小時(shí)后即卸壓降溫而不再升溫。
實(shí)施例5按化學(xué)式量(Pb1-0.09La0.09)(Zn1/3Nb2/3)0.3(Zr1-0.47Ti0.47)0.7O3配制PZN-PLZT透明陶瓷，其他的工藝過(guò)程與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例6按化學(xué)式量(Pb1-0.03La0.03)(Zn1/3Nb2/3)0.3(Zr1-0.60Ti0.60)0.7O3配制PZN-PLZT透明陶瓷，其他的工藝過(guò)程實(shí)施例1相同。
實(shí)施例7按化學(xué)式量(Pb1-0.03La0.03)(Zn1/3Nb2/3)0.5(Zr1-0.47Ti0.47)0.5O3配制PZN-PLZT透明陶瓷，其他的工藝過(guò)程與實(shí)施例1相同。
表1 本發(fā)明提供的實(shí)施例性能匯總

權(quán)利要求
1.一種鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛鑭透明功能陶瓷及其制備方法，其特征在于組成表達(dá)式為(Pb1-xLax)(Zn1/3，Nb2/3)1-y(Zr1-zTiz)yO3式中0＜x＜0.10；0.5＜y＜0.8；0.4＜z＜0.70。
2.按權(quán)利要求1所述鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛鑭透明功能陶瓷及其制備方法，其特征在于所述的PZN-PLZT陶瓷的組成為(Pb0.97La0.03)(Zn1/3，Nb2/3)0.3(Zr0.53Ti0.47)0.70O3。
3.按權(quán)利要求1所述鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛鑭透明功能陶瓷及其制備方法，包括配料、均勻混合、烘干成型，其特征在于(1)在熱壓燒結(jié)的整個(gè)過(guò)程中維持3公升/分的氧流量；(2)以200℃/小時(shí)速度升溫到950℃，保溫30分鐘；然后在以同樣速率升溫的同時(shí)加壓，當(dāng)溫度升到1200℃，壓強(qiáng)升到480Kg/cm2，保溫6小時(shí)；然后卸壓溫度仍以200℃/小時(shí)速率升到1250℃，保溫10小時(shí)，最后以140℃/小時(shí)速率降到950℃，隨爐冷卻。
4.按權(quán)利要求1所述鈮鋅酸鉛-鋯鈦酸鉛鑭透明功能陶瓷及其制備方法，包括配料、均勻混合、烘干成型，其特征在于(1)在熱壓燒結(jié)整個(gè)過(guò)程中維持3公升/分的氧流量；(2)以200℃/小時(shí)速度升溫到950℃，保溫30分鐘；然后在以同樣速率升溫的同時(shí)加壓；當(dāng)溫度升到1200℃，壓強(qiáng)升到480Kg/cm2，保溫6小時(shí)；然后卸壓且以140℃/小時(shí)速率降到950℃，隨爐冷卻。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鈮鋅酸鉛－鋯鈦酸鉛鑭透明功能陶瓷及其制備方法，屬于透明陶瓷領(lǐng)域，其特征在于透明陶瓷組份為(Pb
文檔編號(hào)C04B35/493GK1420106SQ0215111
公開日2003年5月28日 申請(qǐng)日期2002年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月6日
發(fā)明者殷慶瑞, 鄭鑫森, 仇萍蓀, 丁愛麗 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所