[發(fā)明專利]一種多元系鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷元件的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310488510.3
• 申請日: 2013-10-17
• 公開（公告）號: CN103524130A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發(fā)明（設計）人: 溫建強
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: C04B35/491
• 分類號: C04B35/491;C04B35/622
• 代理公司: 北京法思騰知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊林

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于傳感器領域中壓電材料的制備，特別涉及一種適合于規(guī)模化生產(chǎn)的多元系鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷元件的制備方法。

背景技術(shù)

鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷是一類能將機械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，在電子材料中占有重要的地位，廣泛地應用于國防建設、科學研究、工業(yè)生產(chǎn)以及人們生活密切相關(guān)的許多領域。尤其是在傳感器、換能器、無損檢測、醫(yī)療診斷以及通訊技術(shù)領域有著極其廣闊的應用前景。PZT壓電陶瓷材料的制備主要包括粉體的制備、成型和高溫燒結(jié)形成多晶體三個步驟，其中粉體的制備是高性能壓電陶瓷的前提和基礎。這是因為壓電陶瓷的性能首先取決于其化學組分，然而在化學組分固定的情況下，不同的粉體制備方法對于最終由壓電陶瓷制作的元器件性能起著至關(guān)重要的作用。隨著PZT及其三元系、四元系材料的廣泛應用，人們對壓電陶瓷材料的性能進行了不斷的改進，合成性能優(yōu)良的陶瓷粉體已成為主要的研究方向之一。

現(xiàn)有壓電陶瓷的制作方法中，干法的固相反應法是應用最廣泛的制備壓電陶瓷粉體的方法。它主要采用獲取方便、價格低廉的氧化物粉末為原料，按照一定的化學計量比稱取，通過混合后在一定溫度下直接反應合成制得壓電陶瓷粉末。由于其設備簡單、操作簡便，制作成本低廉，目前該方法得到了廣泛的應用。然而其合成粉體和燒結(jié)成瓷的溫度都較高，存在著鉛揮發(fā)的問題，而且Pb²⁺、Zr²⁺、Ti⁴⁺離子的擴散速率不同，在煅燒過程中可能產(chǎn)生少量的PbO、PbTiO₃、焦綠石等中間相，產(chǎn)生局部相組成的不同，使得所獲得的產(chǎn)品性能難以滿足日益發(fā)展的科技需求。

在此背景下，人們先后提出了包括沉淀法、水熱合成法、溶膠-凝膠法、熔鹽法等在內(nèi)的多種濕化學合成方法。例如水熱合成法，可以簡單描述為使用一種特殊設計的裝置，人為地創(chuàng)造一個高溫高壓的環(huán)境，使得在通常條件下難溶或不溶的物質(zhì)進行溶解和重結(jié)晶。溶膠凝膠法是一種借助膠體分散體系，容易進行多種組分系統(tǒng)中成分控制的粉體合成方法，其反應過程主要包括以下三步：首先是生成均勻的膠體溶液，也就是溶膠，然后溶膠經(jīng)過水解反應和縮聚反應，形成具有三維結(jié)構(gòu)的凝膠體，凝膠干燥以后進行再煅燒，便可以制備得到粉體。

盡管這些濕化學方法，由于合成粉體時，使用的所有原料一般均處于溶液狀態(tài)，能夠在分子或原子的水平上實現(xiàn)充分均勻混合，每個組分的含量也都可以精確地控制，通過精確控制工藝條件，可以合成出組成均一、顆粒尺寸分布均勻、化學活性良好的超細粉體，進而提高材料的性能和可靠性，但是大部分方法成本太高，無法適應大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，很難進行真正的商品化生產(chǎn)。

其中最具有潛力的方法是沉淀法，它是將可溶性原料溶于水中制備成前驅(qū)體溶液，然后在攪拌狀態(tài)下引入適當?shù)某恋韯沟萌芤褐嘘栯x子生成不溶性沉淀，再經(jīng)過過濾、洗滌、干燥以及加熱分解等工藝過程來合成粉體的方法。因為其具有反應過程簡單、成本低、能夠制備性能良好的粉體，便于推廣和工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點，得到了廣泛的應用。由于沉淀法不僅需要配制出金屬離子能夠共溶的前驅(qū)體溶液，還需要選取適當?shù)某恋韯┍ＷC所有金屬離子能同時形成沉淀。因此，目前沉淀法已實現(xiàn)了規(guī)模化商品生產(chǎn)也只有鈦酸鋇（BaTiO₃）和二元系的鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷粉體。但是在壓電陶瓷向三元系和四元系發(fā)展的今天，單一的沉淀法很難制備如此多組分的陶瓷材料。因此，有必要探索研究新型的適合多元系壓電陶瓷粉末制備的簡便新方法。

發(fā)明內(nèi)容：

目前，規(guī)模化生產(chǎn)多元系鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷粉體制備的過程中所遇到的困難在于，固相反應法很容易導致各組分的不均勻，此外，高溫煅燒下極其容易產(chǎn)生中間相，影響其性能；而沉淀法則難以控制多組分的同步性，無法進行工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明的目的在于解決上述的難題，采用半化學沉淀法，使得反應速率較慢的鋯和鈦首先形成緊密的結(jié)合，再引入到其他已球磨混合好的超細粉料中，在生成鈣鈦礦時會發(fā)生體積膨脹，導致顆粒內(nèi)部缺陷和氣孔的產(chǎn)生，使得鈣鈦礦顆粒變成海綿狀骨架結(jié)構(gòu)，而且反應活性高，合成溫度得以下降100-170℃左右，在合成后的球磨細化過程中，較短的時間即可達到細小的陶瓷粉末。形成成多晶體的燒結(jié)溫度也下降至100-200℃左右。實現(xiàn)了在低成本和簡單工藝的前提下，提高材料組分的均勻性和活性，降低合成溫度、并在較低的溫度下燒結(jié)時，仍能大幅度地提高壓電陶瓷材料的壓電性能，為生產(chǎn)性能優(yōu)異的多元系壓電陶瓷材料提供了低成本的便捷生產(chǎn)陶瓷粉末的方法。

本發(fā)明的技術(shù)放案如下：