[發明專利]具有低溫燒結特性的鐵電陶瓷、工藝方法及應用

無效

• 申請號: 200810035704.7
• 申請日: 2008-04-08
• 公開（公告）號: CN101265081A
• 公開（公告）日: 2008-09-17
• 發明（設計）人: 于劍
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C04B35/26
• 分類號: C04B35/26;C04B35/462;C04B35/12;H03H9/54;H03H9/64;H01L41/08;H01L41/187
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 吳林松

技術領域

本發明屬于材料科學領域，涉及無壓低溫燒結PZT壓電陶瓷材料與器件制備技術。?

背景技術

PZT壓電陶瓷是一種重要的功能材料和智能材料，廣泛應用于電子元件、微位移控制、微型超聲電機等領域。PZT陶瓷由于具有居里溫度高、壓電性強、易摻雜改性、穩定性好等特點，目前在壓電陶瓷材料與器件領域依然占據主導地位。如PZT陶瓷濾波器和SAW濾波器構成現代無線通信技術中關鍵元器件---中、高頻及微波濾波器。低損耗、高介電常數陶瓷在RF和IF濾波器中的應用，能夠實現無線設備的微型化。PZT陶瓷驅動器，包括單片式和多層驅動器，在微位移控制和超聲電機系統中業已得到廣泛應用。?

PZT陶瓷粉體的致密化燒結技術對PZT制品質量影響非常大。傳統的PZT壓電陶瓷無壓燒結通常在1200-1400℃高溫進行，由于鉛在高于800℃就開始揮發，很難得到組分均勻的致密陶瓷片。燒結過程中鉛揮發導致組分偏離準確的化學計量而使制品性能降低，同時由此導致的Zr/Ti波動影響PZT制品性能的穩定性。另外，較高的燒結溫度造成PZT顆粒粗化和團聚，降低陶瓷的微觀結構和性質。如果在低于1000℃溫度燒結PZT壓電陶瓷制品，由于此時PbO的飽和蒸汽壓較低，只有不到1％的揮發，可以大大簡化燒結設備和工藝，不必加入燒結PbO氣氛片和避免使用雙層坩堝技術，而采用單層坩堝加蓋密閉燒結即可得到高質量PZT制品(參考文獻1，2)。為此人們進行了多種努力來降低壓電陶瓷燒結溫度，如1)采用濕化學法或高能球磨制備納米尺度超微細粉體，提高粉體活性，從而降低燒結溫度，減少鉛揮發，保證準確的化學計量；2)添加低熔點玻璃粉或形成低熔點共融物的化合物等燒結助劑進行液相燒結。采用此種方法燒結溫度可降低到800℃以下，但應用范圍具有極大的限制，因為添加劑在最后的燒結體中形成非壓電性的第二相，降低最終陶瓷元件的壓電性能和機械性能；3)固溶反應燒結，如0.05mol％MnO₂(Nb₂O₅)摻雜0.92Pb(ZrTi)O₃-0.05BiFeO₃-0.03Ba(Cu_0.5W_0.5)O₃+0.08wt％CuO，粉體合成和致密燒結一步完成。為了達成降低PZT材料的燒結溫度，促進燒結和提高電、機性能之間的平衡，人們仍在探索和采用新的燒結工藝，結合幾種方法的優點進行優化組合，最終朝制得性能優良的壓電陶瓷材料與器件方向努力。?

降低PZT陶瓷粉料燒結溫度研究工作的一個重要動力來自于多層壓電陶瓷驅動器的制備技術需求，低溫共燒(LTCC，燒結溫度低于1000℃)技術的發展極大地促進了驅動器及以其為核心動力裝置的超聲電機等器件與系統的設計發展(參考文獻3，4)。超聲電機是利用壓電陶瓷的電致伸縮效應和超聲振動，將定子?的微觀形變通過共振放大和摩擦耦合轉換成轉子(旋轉型電機)或動子(直線型電機)的宏觀運動的一種全固態電機。這種電機具有諸如響應快、控制特性好、低速大扭矩、結構簡單緊湊、設計靈活、低噪聲、無電磁干擾等特征，可用于航天器、航空器、汽車、機器人和精密儀器等系統。優良的固態驅動器要求較大的機械位移(大于10微米)和較低的驅動電壓(小于100伏)。把較薄的驅動器堆垛成多層驅動器是目前超聲電機驅動器常采用的一種重要方式。目前，在高溫共燒(HTCC，燒結溫度高于1200℃)多層結構壓電驅動器件制作過程中，由于燒結溫度較高，內電極材料Pd或Ag-Pd與PZT陶瓷間的相互作用導致較小的化學均勻性和晶粒尺寸，降低了PZT的化學配比，從而導致驅動器性能惡化(參考文獻5)。在LTCC制作多層壓電驅動器件過程中，低熔點非鐵電性的玻璃相或化合物的加入，雖然降低了壓電陶瓷的燒結溫度，但同時也極大地降低了材料及其器件的壓電性能(參考文獻6)。值得指出的是，目前絕大部分針對多層驅動器研究采用的是“軟”PZT壓電陶瓷。為進一步提高電機使用功率、操作頻率以及降低運行過程中產生的熱量等，由硬PZT壓電陶瓷構成的LTCC多層驅動器是當前商業技術開發的一個難點，相關研究報道較少(參考文獻2，4)。?

參考文獻：?

1、Y.Ponomarev，Y.M.Kim，Low?temperature?firable?PZT?compositions?and?piezoelectricceramic?devices?using?the?same，美國專利6878307。http://www.freepatentsonl?ine.com/6878307.html?