[發明專利]一種無鉛壓電織構厚膜及其制備方法

無效

• 申請號: 200910046632.0
• 申請日: 2009-02-25
• 公開（公告）號: CN101486570A
• 公開（公告）日: 2009-07-22
• 發明（設計）人: 翟繼衛;付芳;丁西亞
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C04B35/468
• 分類號: C04B35/468;C04B35/495;C04B35/622
• 代理公司: 上海光華專利事務所
• 代理人: 許亦琳

技術領域

本發明屬于無鉛壓電材料領域，具體涉及一種無鉛壓電厚膜織構化的方法。

背景技術

壓電材料是一類重要的高技術功能材料，在工業、民用及軍事產品上的應用十分廣泛。 目前應用最廣的是鈣鈦礦型的鋯鈦酸鉛(PZT)基壓電材料，但是其中PbO的含量高達70％，在 制備、使用及廢棄后處理過程中會對人類和環境造成嚴重的危害。近年來，隨著人們環保意 識的增強，壓電材料的無鉛化成為亟待解決的熱點問題之一。

無鉛壓電材料主要有四種，分別是鉍層結構化合物、鈦酸鉍鈉基、鈦酸鋇(BaTiO₃，簡 稱BT)基及堿金屬鈮酸鹽基無鉛壓電材料。鉍層結構及鈦酸鉍鈉基壓電材料盡管居里溫度高， 大多都在600℃以上，但是其壓電性能較差，鈦酸鉍鈉陶瓷的d₃₃僅有60pC/N，而鈦酸鉍陶瓷 只有20pC/N。BT是最早研究的無鉛壓電材料，其研究已經相當成熟，壓電性能在無鉛壓電 材料中較高，BT壓電陶瓷的d₃₃在190pC/N，但是其居里溫度較低，僅有120℃。堿金屬鈮酸 鹽壓電材料的壓電性能低于BT，其中鈮酸鉀鈉(K_0.5Na_0.5NbO₃，簡稱KNN)經過熱壓燒結后的 d₃₃也僅有160pC/N，但是其居里溫度較高，達到了420℃，可用于高溫環境。

目前無鉛壓電材料的壓電性能還遠不如PZT基壓電材料，因此提高無鉛壓電材料的壓電 性能成為研究的熱點。目前大多數研究者主要是通過摻雜對無鉛壓電材料進行改性，從而提 高其壓電性能。近年來也有一些學者將研究重點轉移到了壓電陶瓷的織構化方面，以期通過 結構改性來提高其壓電性能。無鉛壓電陶瓷的織構化程度可以通過Lotgering’s?factor(F.K. Lotgering.Topotactical?Reactions?with?Ferrimagnetic?Oxides?having?Hexagonal?Crystal Structures-I.Journal?of?Inorganic?and?Nuclear?Chemistry，9(2)(1959)：113-123)進行表征。 Yasuyoshi?Saito(Yasuyoshi?Saito，Hisaaki?Takao，Toshihiko?Tani，Tatsuhiko?Nonoyama， Kazumasa?Takatori，Takahiko?Homma，Toshiatsu?Nagaya&Masaya?Nakamura.Lead-free piezoceramics.Nature，2004，432(4)：84-87)等通過摻雜、織構化對KNN陶瓷改性得到了d₃₃高 達416pC/N的壓電陶瓷，其壓電性能接近于PZT，推進了壓電陶瓷的無鉛化進程。而壓電厚 膜的研究則大多數集中在PZT基材料上，無鉛壓電厚膜的報導還較少，無鉛壓電織構厚膜的 報導更是鮮為少見。

厚膜兼有塊體和薄膜材料的許多優點。一方面，其厚度相比較塊體來說大大減小，降低 了其在電路中的驅動電壓，可使其工作在低電壓高頻率，這為在集成電路中使用提供了條件； 另一方面，其擁有可與塊體材料相媲美的電氣性能和抗疲勞性能。因此，厚膜材料和厚膜器 件一直受到材料科學工作者的關注。目前，研究較多的PZT和BST等厚膜材料已經大量應用 于各種壓電、鐵電、熱釋電器件、微波器件以及射頻微電子機械系統等。制備成厚膜形態可 降低材料在電路中的驅動電壓，有利于其在集成電路中的使用，而且相比于陶瓷來說，厚膜 更有利于器件的小型化。

使用流延法可以制備出織構化的陶瓷，提高材料的壓電性能。但是目前關于使用流延法 制備BT和KNN無鉛壓電厚膜織構化，以提高其性能的報道仍然鮮為少見。

發明內容

本發明提供一種簡單可行的制備BT和KNN無鉛壓電織構厚膜的方法。制備出一種取 向生長的無鉛壓電織構厚膜。

本發明主要通過以下步驟來制備無鉛壓電織構厚膜：

(1)選擇基料，基料為BT(BaTiO₃)粉體或KNN(鈮酸鉀鈉)粉體。

(2)選取模板，模板為BT片狀粉體或NN(NaNO₃)片狀粉體。