[發明專利]一種通過3D打印制備具有周期性孔結構的PZT鐵電陶瓷的方法

有效

• 申請號: 202010830457.0
• 申請日: 2020-08-18
• 公開（公告）號: CN112028628B
• 公開（公告）日: 2021-08-06
• 發明（設計）人: 聶恒昌;賈繼才;董顯林;王根水
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/491
• 分類號: C04B35/491;C04B35/622;C04B35/638;B33Y70/10;B33Y10/00
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明涉及一種通過3D打印制備具有周期性孔結構的PZT鐵電陶瓷的方法，包括：（1）將PZT粉體和粘結劑分散于溶劑中，得到PZT漿料；（2）利用繪圖軟件設計得到具有周期性孔分布結構的陶瓷坯體模型；（3）按照所述陶瓷坯體模型，通過打印針頭將PZT漿料擠出成纖維狀后，進行逐層打印和干燥，形成具有周期性孔結構的陶瓷坯體；（4）將所得陶瓷坯體經排膠和燒結，得到所述具有周期性孔結構的PZT鐵電陶瓷。

技術領域

本發明涉及一種通過3D打印制備具有周期性孔結構的PZT鐵電陶瓷的方法，屬于3D打印與功能陶瓷交叉領域。

背景技術

多孔陶瓷是以氣孔為主要特征的一類重要的陶瓷材料，可用于制備各種過濾器、分離裝置、流體分布元件、混合元件、節流元件等，也可以制成各種多孔電極、催化劑載體、熱交換器、氣體傳感器等，在冶金、化工、石油、能源、環保、食品、醫藥、生物等行業具有諸多應用。

在功能陶瓷領域，氣孔的引入也可以帶來意想不到的有益效果。引入30％體積分數的開口氣孔可以將濕度靈敏度提高一個數量級，而1.2％的孔隙率則可以使PTC電熱調節器中的電阻率提高20倍。在PZT陶瓷方面，通過引入氣孔可以大幅度降低多孔壓電陶瓷的介電常數，提高靜水壓優值；氣孔還可以改善壓電陶瓷與水、空氣等媒介的聲阻抗匹配，促進多孔壓電陶瓷在水聽器領域的進一步應用。引入氣孔已被證明是提高PZT95/5鐵電陶瓷材料的“塑性”變形能力、延緩沖擊損傷破壞的有效途徑。

多孔陶瓷的物理性能取決于孔隙率、孔徑及不同種類孔的混合。如氣孔體積分數和孔徑分布對電熱調節器、濕度傳感器和磁性媒介的性能有很大影響。多孔壓電陶瓷材料的彈性模量取決于孔隙率，聲速也與孔形狀甚至孔徑分布都有關系。最近研究發現，氣孔的分布情況也是影響鐵電陶瓷性能的一個重要因素。氣孔的團聚或者不均勻分散會造成材料力學和電學性能的顯著降低。因此，實現氣孔的均勻分散十分重要。

目前，已經發展了多種先進技術實現多孔陶瓷氣孔結構的制備。主要包括有機泡沫浸漬法、發泡法、添加造孔劑法、機械攪拌法、溶膠凝膠法以及等離子交換法等。但是，這些制備技術很難實現氣孔分布的周期性調控。最近，以3D打印(Three-DimensionalPrinting)為代表的增材制造技術為實現氣孔結構的精確調控提供了一種可能。目前，3D技術在多孔活性生物陶瓷和復雜的結構陶瓷領域應用較為廣泛，在電子陶瓷領域目前尚未有相關技術報道。

發明內容

針對目前多孔陶瓷制備技術難以實現PZT鐵電陶瓷氣孔周期性分布的技術難題，本發明提供一種通過3D打印制備具有周期性孔結構PZT鐵電陶瓷的方法，可以實現PZT鐵電陶瓷氣孔結構周期性分布和孔隙率可控。

在本發明中，通過3D打印制備具有周期性孔結構的PZT鐵電陶瓷的方法包括：

(1)將PZT粉體和粘結劑分散于溶劑中，得到PZT漿料；

(2)利用繪圖軟件設計得到具有周期性孔分布結構的陶瓷坯體模型；

(3)按照所述陶瓷坯體模型，通過打印針頭將PZT漿料擠出成纖維狀后，進行逐層打印和干燥，形成具有周期性孔結構的陶瓷坯體；

(4)將所得陶瓷坯體經排膠和燒結，得到所述具有周期性孔結構的PZT鐵電陶瓷。

所述PZT粉體為由PbTiO₃與PbZrO₃形成的固溶體粉體，或經其他元素摻雜或者固溶改性的PZT體系(摻雜元素可為Nb、La、Sb、W、Sr等軟性摻雜元素以及Fe、Ba、Mg、Co、Mn、Sc等硬性摻雜元素，摻雜量一般為≤5mol％)，粒徑為10nm～20μm。應理解，本發明中主要公開的是PZT鐵電陶瓷的3D打印方法，上述列舉的PZT粉體僅是為了體現本發明可選用不同組成的PZT粉體，但這并不意味著本發明3D打印方法限制于上述組成的PZT體系，其他未列出的PZT體系粉體，同樣適用于本發明。