[發明專利]一種用于高頻超聲換能器的無鉛壓電復合厚膜的制備方法

無效

• 申請號: 201210224769.2
• 申請日: 2012-07-02
• 公開（公告）號: CN102863212A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 任巍;紀紅芬;史鵬;吳小清;王玲艷;趙金燕
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C04B35/475
• 分類號: C04B35/475;C04B35/622;H01L41/187
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 田洲

【技術領域】

本發明涉及無機材料中的壓電復合厚膜的制備方法，特別涉及一種用于高頻超聲換能器的鈦酸鉍鈉/鈦酸鉍鉀鈉無鉛壓電復合厚膜的制備方法。

【背景技術】

鑒于含鉛材料在制備、使用及廢棄處理過程中給環境和人類健康造成的危害，對于材料無鉛化的研究逐漸成為材料領域的主要研究發展方向。目前，具有鈣鈦礦結構的鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷因其具有高的壓電性和高的居里溫度而備受關注，但是采用傳統的陶瓷燒結工藝很難制備出致密性好的純的鈮酸鉀鈉陶瓷體。鈦酸鉍鈉因其在室溫下強鐵電性同樣受到關注，但是純的鈦酸鉍鈉壓電陶瓷存在矯頑場高、相變溫度低的缺點，從而影響其實用化。

壓電厚膜（1～100微米）材料兼顧了薄膜（小于1微米）和塊體（毫米級）的優點，工作電壓低，工作頻率范圍寬，電性能接近塊體材料，能夠應用于高頻聲納換能器、彈性聲表面波器件、新型超聲換能器、熱釋電紅外傳感器、微機械系統、微型馬達和微型驅動器等。

【發明內容】

本發明的目的在于提供一種用于高頻超聲換能器的無鉛壓電復合厚膜的制備方法，能夠有效降低厚膜的燒結溫度，降低鉀、鈉、鉍元素的揮發，提高厚膜的介電、鐵電、壓電性能。

為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現。

一種用于高頻超聲換能器的無鉛壓電復合厚膜的制備方法，包括以下步驟：

（1）、按照Bi_0.5Na_0.5TiO₃的化學計量比，先將五水硝酸鉍溶于乙二醇甲醚中，室溫磁力攪拌，得到硝酸鉍溶液；將無水乙酸鈉溶于乙二醇甲醚中，室溫磁力攪拌，得到乙酸鈉溶液；將摩爾比為1：2的鈦酸四正丁酯和乙酰丙酮溶于乙二醇甲醚中，室溫磁力攪拌，得到鈦酸四正丁酯混合溶液；然后分別將硝酸鉍溶液和乙酸鈉溶液滴加至鈦酸四正丁酯混合溶液中，并在70~90℃下恒溫磁力攪拌，之后自然冷卻至室溫，得到澄清的鈦酸鉍鈉先驅體溶膠；

（2）、按照Bi_0.5(Na_1-xK_x)_0.5TiO₃的化學計量比分別稱取碳酸鉀、碳酸鈉、三氧化二鉍和二氧化鈦，以無水乙醇為媒介混合球磨，干燥后壓片，然后在600℃~1150℃下燒結2~4小時，得到具有鈣鈦礦結構的鈦酸鉍鉀鈉坯體，再經破碎、球磨，得到微納米級鈦酸鉍鈉粉體；x=0.1~0.5；

（3）、將微納米級鈦酸鉍鉀鈉陶瓷粉體與鈦酸鉍鈉先驅體溶膠混合，然后加入與鈦酸鉍鈉基體等摩爾的高聚物作為穩定分散劑，球磨使之分散均勻，再經過磁力攪拌得到穩定的混合漿料；

（4）、采用旋涂工藝將所得的穩定的混合漿料沉積在硅基底上，然后進行熱處理工藝，重復上述旋涂工藝-熱處理工藝，得到具有鈦酸鉍鈉/鈦酸鉍鉀鈉無鉛壓電復合厚膜；所述壓電復合厚膜的厚度為0.5~30μm。

本發明進一步的改進在于：所述熱處理工藝為：先150℃～200℃保溫3~5分鐘，再350℃～450℃保溫3～10分鐘，650℃～750℃退火3～5分鐘。

本發明進一步的改進在于：所述旋涂工藝為：轉速為3000轉/分鐘，旋涂30秒。

本發明進一步的改進在于：步驟（3）中鈦酸鉍鉀鈉陶瓷粉體占鈦酸鉍鉀鈉陶瓷粉體和鈦酸鉍鈉先驅體溶膠的總質量的20%-80%。

本發明進一步的改進在于：步驟（3）中鈦酸鉍鉀鈉陶瓷粉體占鈦酸鉍鉀鈉陶瓷粉體和鈦酸鉍鈉先驅體溶膠的總質量的20%-40%、20%-60%、40%-60%或40%-80%。

本發明進一步的改進在于：步驟（1）中選用過量的五水硝酸鉍和無水乙酸鈉，其中，五水硝酸鉍含量過量范圍在0.5%-5%摩爾，無水乙酸鈉的過量范圍在0.5%-10%摩爾。

本發明進一步的改進在于：步驟（1）中選用過量的五水硝酸鉍和無水乙酸鈉，其中，五水硝酸鉍含量過量2%摩爾，無水乙酸鈉過量10%摩爾。

本發明進一步的改進在于：步驟（3）中選用的高聚物為聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇或聚乙烯醇縮丁醛。

本發明進一步的改進在于：步驟（3）中鈦酸鉍鉀鈉陶瓷粉體占鈦酸鉍鉀鈉陶瓷粉體和鈦酸鉍鈉先驅體溶膠的總質量的40%，x=0.18。