[發(fā)明專利]一種陶瓷/金屬壓電復(fù)合材料的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710122237.7
• 申請日: 2007-09-24
• 公開（公告）號: CN101153359A
• 公開（公告）日: 2008-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張海龍;楊淑;張波萍
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;B22F9/16;B22F9/04;C22C29/00
• 代理公司: 北京華誼知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 劉月娥

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于壓電復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供一種陶瓷/金屬壓電復(fù)合材料的制備方法，采用控制氣氛燒結(jié)制備陶瓷/金屬壓電復(fù)合材料，適合于將壓電陶瓷與普通金屬進(jìn)行燒結(jié)。

背景技術(shù)

壓電復(fù)合材料是指壓電相材料和非壓電相材料按照一定的連通方式構(gòu)成的一種具有壓電效應(yīng)的復(fù)合材料。由于壓電復(fù)合材料具有優(yōu)良的綜合性能和可設(shè)計性，因此引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣。壓電陶瓷的工作原理依賴于力電耦合效應(yīng)，然而壓電陶瓷的機(jī)械性能普遍偏低，以金屬作為非壓電第二相可大幅提高壓電陶瓷基體的斷裂韌性。但是，關(guān)于金屬作為非壓電相的壓電復(fù)合材料的研究比較少見，僅有的報道是將金屬鉑(Pt)或銀(Ag)加入鋯鈦酸鉛(Pb(Zr，Ti)O₃，PZT)壓電陶瓷制備壓電復(fù)合材料(J.-F.Li，et?al.，Appl.Phys.Lett.，Vol.79，2441～2443(2001)；H.L.Zhang，et?al.，J.Am.Ceram.Soc.，Vol.89，1300～1307(2006))。研究結(jié)果表明，非壓電的金屬第二相可以合理調(diào)控壓電復(fù)合材料的壓電性能并形成梯度變化，其主要目的是應(yīng)用于功能梯度結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷驅(qū)動器以提高器件的服役性能。然而，由于鉑和銀的價格昂貴使得PZT/Pt或PZT/Ag壓電復(fù)合材料難以在一般性場合推廣使用。當(dāng)壓電陶瓷與銅、鎳等普通金屬進(jìn)行復(fù)合燒結(jié)時則存在如下問題：若在空氣中燒結(jié)，普通金屬會被氧化為金屬氧化物而難以有效增韌壓電陶瓷復(fù)合材料；若為了避免普通金屬的氧化而在還原氣氛中燒結(jié)，PZT等鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷將會脫氧形成氧空位或產(chǎn)生焦綠石相而大幅降低壓電性能。這也是目前關(guān)于陶瓷/金屬壓電復(fù)合材料的研究報道比較少見的主要原因。

實(shí)際上，金屬氧化對應(yīng)的氧分壓不同于壓電陶瓷脫氧發(fā)生化學(xué)變質(zhì)對應(yīng)的氧分壓，也就是說，在上述兩個氧分壓之間存在一個氧分壓的“窗口”區(qū)域。若能將陶瓷/金屬壓電復(fù)合材料的燒結(jié)氣氛氧分壓控制在該“窗口”范圍內(nèi)，則既可避免金屬氧化又不使壓電陶瓷脫氧發(fā)生化學(xué)變質(zhì)。已有研究報道，通過控制氣氛燒結(jié)的方法將PZT薄膜沉積在銅基板上(A.I.Kingon，et?al.，Nature?Mater.，Vol.4，233～237(2005))，然而關(guān)于壓電陶瓷/金屬復(fù)合材料的控制氣氛燒結(jié)則尚未見報道，而且壓電陶瓷塊體材料的燒結(jié)溫度也遠(yuǎn)高于薄膜的結(jié)晶化溫度。在本發(fā)明中，對于陶瓷/金屬壓電復(fù)合材料的組成成分選擇基于以下考慮。鑒于PZT等含鉛材料對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，而且鈮酸鉀鈉((K，Na)NbO₃，KNN)成為近年來無鉛壓電陶瓷的研發(fā)熱點(diǎn)，該體系所報道的壓電常數(shù)逐年攀高，使得無鉛壓電陶瓷替代PZT等含鉛材料成為可能，因此本發(fā)明選用新開發(fā)的高性能鈮酸鉀鈉作為壓電相材料。由于鉑、銀等金屬價格昂貴，我們選擇廣泛用作電子器件電極材料的普通金屬鎳作為非壓電相材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種鈮酸鉀鈉/鎳壓電復(fù)合材料的制備方法，解決了壓電陶瓷與普通金屬復(fù)合燒結(jié)制備的難題。

本發(fā)明選用高性能鈮酸鉀鈉無鉛壓電陶瓷和普通金屬鎳作為原料，制備鈮酸鉀鈉/鎳壓電復(fù)合材料按如下步驟進(jìn)行：

1、采用碳酸鉀、碳酸鈉、碳酸鋰和五氧化二鈮作為初始原料，按化學(xué)式Li_xK_0.5-0.5xNa_0.5-0.5xNbO₃進(jìn)行配料、混合、煅燒，獲得鈮酸鉀鈉陶瓷粉末，其中，0.04≤x≤0.06；

2、將鈮酸鉀鈉粉末與純金屬鎳粉以鎳占1～25％(體積分?jǐn)?shù))的比例混合，在研缽中研磨40～90分鐘，并在混合粉末中加入0.1～0.5％(體積分?jǐn)?shù))的粘結(jié)劑，其中粘結(jié)劑為聚乙烯醇含量3～7％(重量分?jǐn)?shù))的水溶液；

3、將鎳含量為1％、5％、10％、15％、20％、25％(體積分?jǐn)?shù))的鈮酸鉀鈉/鎳混合粉末分別鋪放在模具中，在80～130MPa下壓模成型；

4、將壓模成型后的產(chǎn)品放入坩鍋內(nèi)，再將坩鍋放入加熱爐內(nèi)；從室溫開始以10～50℃/分鐘的速度升溫至1040～1120℃，并在1040～1120℃溫度下保溫1～2小時進(jìn)行燒結(jié)，隨爐冷卻，獲得鈮酸鉀鈉/鎳壓電復(fù)合材料。

在從室溫升溫至燒結(jié)溫度、保溫?zé)Y(jié)、隨爐冷卻的整個過程中，在加熱爐中通入氧含量在0.5％(體積分?jǐn)?shù)，氧分壓值5×10²Pa，工業(yè)純氮?dú)?～3ppm(體積分?jǐn)?shù)，氧分壓值3×10^-1Pa，高純氮?dú)?之間的保護(hù)氣氛，通入氣體壓力為1.1～2.0個大氣壓(0.11～0.20MPa)。