新型水声换能器材料PZT超微粉制备研究

　　水声换能器材料是关系到声纳性能、鱼雷制导的重要因素。目前水声换能器广泛采用的材料为压电陶瓷锆钛酸铅([Pb(ZrxTi1-x)O3]x<1, 代号PZT, 简称PZT)。采用传统方法生产的PZT4、PZT5系列器件, 其粉体采用氧化物机械混合法制备, 该方法制备的粉体活性低、颗粒粗、粒度和纯度得不到保证, 从而导致粉体成型后, 坯体烧结温度高, 失铅严重, 烧结后的压电陶瓷化学均匀性差, 压电性能未能有效发挥, 不能充分满足水声换能器应用需要。

　　PZT的粉体制备工艺对压电陶瓷材料的微观结构和性能具有重要影响, 是提高压电性能的关键因素。进入90年代以来, 陶瓷材料的研究与开发趋势是纳米化、复合化和智能化[1]。然而, 到目前为止, PZT超微细粉的制备研究仍处于初级阶段, 在提高水声换能器性能方面未见较详细的研究报道。笔者通过采用化学沉淀法制备PZT超微粉实验, 分析了影响PZT粉体特性的主要因素, 研究出了制备高性能PZT超微粉的有效途径。

　　1 试验方法

　　本试验采用化学沉淀方法。化学沉淀法是目前液相化学合成高纯度纳米微粒采用最广泛的方法之一[2]。

　　共进行两个实验, 实验(一)以分析纯TiCl4、Pb(NO3)2、ZrOCl2·8H2O、H2O2、浓氨水等为原料, 制备PZT 超微细粉。通过检测粉体的形貌、粒径、粒度分布等指标, 研究纳米PZT粉体的制备工艺。

　　实验(二)与实验(一)的工艺流程基本相同, 但原料中添加了稳定剂氧化钇(Y2O3), 通过对比实验(二)与实验(一)获得的PZT粉体粒径、粒形、分散情况, 分析稳定剂氧化钇的作用。

　　1.1 制备Zr4+与Ti4+的共沉淀物

　　将ZrOCl2·8H2O、TiCl4按Zr/Ti比为52∶48和适量的H2O2配成浓度为0.2mol·L-1的水溶液, 滤去其中的不溶性杂质, 在快速磁力搅拌下, 以1.5~2.0mL·min-1的速度向其中添加浓度为3mol·L-1的NH4OH, 发生如下化学反应:

　　合理控制体系的pH值及滴加速度, 在沉淀反应之前向剧烈搅拌的ZrOCl2、TiCl4混合溶液中缓慢滴加NH4OH溶液, 将pH值调到2.5; 过滤后, 向剧烈搅拌的混合溶液中快速(25mL·min-1)滴加NH4OH溶液至pH=3.5; 然后, 缓慢滴加NH4OH至pH=9.5。ZrO(OH)2和TiO(OH)2将发生共沉淀, 使Zr和Ti离子达到分子级别的混合, 形成ZT氢氧化物(Zr4+和Ti4+同时沉淀的产物)。

　　同理, 将Pb(NO3)2配成0.2mol·L-1的溶液, 滤除其中不溶性杂质, 在沉淀反应之前向剧烈搅拌的Pb(NO3)2溶液中缓慢滴加浓度为3mol·L-1的NH4OH溶液, 将pH 值调到7, 之后向剧烈搅拌的混合溶液中快速(25mL·min-1)滴加 NH4OH 溶液至pH=8, 然后缓慢滴加NH4OH至pH=9.5。发生如下反应: