[發明專利]氧化物增韌多孔鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法

有效

• 申請號: 201310588542.0
• 申請日: 2013-11-21
• 公開（公告）號: CN103739285A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 劉煒;王延忠;黃金;楊金龍;董英鴿;常青;胡勝亮
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: C04B35/491
• 分類號: C04B35/491;C04B35/636;C04B38/00
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術領域

本發明涉及壓電陶瓷的制備方法，具體為一種氧化物增韌多孔鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法。?

背景技術

壓電陶瓷是一種將電能轉換為機械能，或將機械能轉換為電能的功能陶瓷。鋯鈦酸鉛壓電陶瓷具有高介電、壓電性能以及可靠性好等優點，在高靈敏度水聲傳感器、超聲換能器等方面應用廣泛。盡管燒結致密的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷具有高的壓電應變常數（d₃₃，d₃₁），但由于晶態材料取向性的限制，其d33和d31的方向相反，導致靜水壓壓電應變常數d_h（=?d₃₃+2d₃₁）低，且致密壓電陶瓷具有高的介電常數（ε），使靜水壓壓電電壓常數g_h（=d_h/ε）的值也非常小，從而使鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的靜水壓品質因數HFOM（d_h×g_h）較低，用于水聲傳感器領域時，會降低器件靈敏度。另外，鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的聲阻抗大于10MRayls（106kg/m2s），比水的聲阻抗（~1.5MRayls）或人體組織的聲阻抗（1~2MRayls）高出許多，導致超聲波信號在鋯鈦酸鉛壓電陶瓷與水或人體組織的界面處產生較大的能量損失，大大降低了超聲換能器成像的分辨率。?

壓電復合材料通過在壓電陶瓷相中引入具有低密度、低介電性和無壓電性的高分子聚合物（壓電/聚合物復合材料）或空氣相（多孔壓電陶瓷），可以提高材料的靜水壓品質因數，在保留材料優良壓電性能的同時，增加了材料與媒介的聲阻抗匹配和材料的靈敏度，非常適合于水聲傳感器或超聲換能器的使用要求。相對于壓電/聚合物復合材料，多孔壓電陶瓷具有制備工藝簡單，使用溫度寬泛，以及材料壓電性能與孔隙率線性對應等優點。?

目前，人們普遍采用造孔劑燃燒工藝制備多孔鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，該工藝將鋯鈦酸鉛壓電陶瓷粉體與造孔劑、粘結劑混合均勻后加壓成型，之后坯體高溫燒結去除造孔劑，保留多孔結構。然而，造孔劑在高溫燒失過程中容易在坯體的孔壁上留下分布不均的缺陷，往往造成產品機械性能較差，嚴重制約了其應用。通常情況下，可以在原料階段通過固相球磨混合的方法摻入少量的氧化物（ZnO，MgO，Al₂O₃，ZrO₂等）阻止鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶體在燒結過程中長大，以提高機械性能。但是，不同組分的原料在固相狀態下難以混合均勻，影響產品機械性能的一致性和穩定性。中國專利CN?103274704A公開了一種微米級蜂窩陶瓷及其孔徑和孔壁尺寸的調控方法。利用海藻酸鈉與陽離子固化劑發生離子凝膠反應，形成均勻管狀通道的現象，通過調節海藻酸鈉和氧化鋁陶瓷粉體的含量來調控氧化鋁蜂窩陶瓷的孔徑尺寸和孔壁厚度。所制得的氧化鋁蜂窩陶瓷的孔徑在10~300μm范圍內可精確調控，孔壁厚度在5~100μm范圍內可控，且分布均勻、高度有序的孔道結構使產品具有較高的機械強度。然而，上述方法采用氯化鈣或氯化銅水溶液作為固化劑，在生產中很有可能引入鋯鈦酸鉛壓電陶瓷晶體，導致產品電學性能嚴重下降。?

發明內容

本發明為了解決現有工藝制備多孔鋯鈦酸鉛壓電陶瓷其電學性能和機械性能難以保證的問題，提供了一種氧化物增韌多孔鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法。?

本發明是采用如下技術方案實現的：氧化物增韌多孔鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的制備方法，包括以下步驟：?

（1）將水、海藻酸鈉、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷粉體混合球磨6~12小時，得到分散均勻的陶瓷漿料，陶瓷漿料中鋯鈦酸鉛壓電陶瓷粉體的質量分數為5~25wt.%，海藻酸鈉的質量分數為0.5~3wt.%，余量為水；

（2）將陶瓷漿料倒入模具中，在漿料表面噴覆高價陽離子溶液，發生固化反應，直到形成初始薄膜；

（3）向模具中加入占陶瓷漿料體積40~60%的高價陽離子溶液，靜置，陽離子逐步置換漿料中的鈉離子，形成蜂窩狀結構的海藻酸鹽離子凝膠坯體，待凝膠固化結束后脫模，得到濕坯；

（4）將濕坯置于0.5~2mol/L的乙酸乙酯或乙酸異戊酯溶液中12~48小時，置換高價陽離子，得到與步驟（3）陽離子含量不同的濕坯；

（5）將步驟（4）得到的濕坯置于丙酮或無水乙醇中進行完全溶劑置換，并在自然干燥條件下干燥24~48小時得到干坯；

（6）將干坯高溫燒結，燒結溫度為1100~1250℃，得到了氧化物摻雜量為0.1~2wt.%、孔隙率在30~70%的多孔鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。