[發明專利]基于飛秒激光加工的無鉛壓電陶瓷制備方法及無鉛壓電陶瓷

有效

• 申請號: 202110407888.0
• 申請日: 2021-04-15
• 公開（公告）號: CN113105236B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 王媛玉;李安江
• 申請（專利權）人: 貴州大學
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495;C04B35/622;C04B41/85;B23K26/382;B23K26/402
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 彭小蘭

本發明公開一種基于飛秒激光加工的無鉛壓電陶瓷制備方法及無鉛壓電陶瓷，該方法在傳統無鉛壓電陶瓷的制備基礎上，利用飛秒激光器對圓片的上表面和下表面進行激光打孔及填充處理，獲得優于傳統摻雜改性陶瓷的性能，以簡化陶瓷改性手段，提高陶瓷性能的可重復性。該方法制備獲得的無鉛壓電陶瓷的壓電常數d₃₃達到128pC/N，相比無鉛壓電陶瓷基體提高了約35％，相比已報道的一步法合成的具有相同組成的無鉛壓電陶瓷提高了約16％；該方法制備獲得的無鉛壓電陶瓷的機電耦合系數k_p約為41％，相比已報道的一步法合成的具有相同組成的無鉛壓電陶瓷提高了約15％。

技術領域

本發明涉及壓電陶瓷技術領域，尤其是一種基于飛秒激光加工的無鉛壓電陶瓷制備方法及無鉛壓電陶瓷。

背景技術

壓電陶瓷是一種重要的功能材料，因其具有綜合性能好、制備技術成熟、價格低廉等優點，已占據功能陶瓷市場大部分份額，在民用和軍工領域有著非常廣泛的應用。鋯鈦酸鉛(PZT)基陶瓷是目前使用最為廣泛的壓電陶瓷，但出于人類可持續發展需求，壓電材料的“無鉛化”是未來發展的必然趨勢。鈮酸鉀鈉(KNN)無鉛壓電陶瓷的居里溫度高(T_c約420℃)，是可替代鉛基陶瓷的優選材料之一。目前，通過摻雜改性，該體系陶瓷性能得到了增強，但性能提升遇到了瓶頸。此外，KNN摻雜改性陶瓷的配方復雜，導致生產成本高、性能重復性差等問題。

發明內容

本發明提供一種基于飛秒激光加工的無鉛壓電陶瓷制備方法及無鉛壓電陶瓷，用于克服現有技術中摻雜手段復雜、性能重復性差等缺陷。

為實現上述目的，本發明提出一種基于飛秒激光加工的無鉛壓電陶瓷制備方法，包括以下步驟：

S1：按摩爾比1:1:2稱取K₂CO₃、Na₂CO₃和Nb₂O₅，混合，第一次球磨，預燒，第二次球磨，干燥，造粒壓制成型，得到圓片；

S2：利用飛秒激光器分別對所述圓片的上表面和下表面進行激光打孔，以在圓片的上表面和下表面均形成直徑8～12μm的孔洞；

S3：在經過S2的圓片上表面和下表面均旋涂ZnO溶液或者BiFeO₃溶液；

S4：在空氣氣氛中，對經過S3的圓片進行燒結，隨爐冷卻，獲得無鉛壓電陶瓷。

為實現上述目的，本發明還提出一種基于飛秒激光加工的無鉛壓電陶瓷，由上述所述制備方法制備得到。

與現有技術相比，本發明的有益效果有：

本發明提供的基于飛秒激光加工的無鉛壓電陶瓷制備方法在傳統無鉛壓電陶瓷的制備基礎上，利用飛秒激光器對圓片的上表面和下表面進行激光打孔及填充處理，獲得優于傳統摻雜改性陶瓷的性能，以簡化陶瓷改性手段，提高陶瓷性能的可重復性。在圓片的上表面和下表面旋涂ZnO溶液或者BiFeO₃溶液，因為ZnO及BiFeO₃的特征能帶結構可降低極化激活能，增加熱離子松弛極化效率，顯著提高陶瓷的介電常數。此外，通過ZnO及BiFeO₃與KNN界面處的能帶相互作用，可形成有利于陶瓷電疇偏轉的內電場。

本發明提供的制備方法制備獲得的無鉛壓電陶瓷的壓電常數d₃₃達到128pC/N，相比無鉛壓電陶瓷基體(d₃₃約95pC/N)提高了約35％，相比已報道的一步法合成的具有相同組成的無鉛壓電陶瓷(d₃₃約110 pC/N)提高了約16％。

本發明提供的制備方法制備獲得的無鉛壓電陶瓷的機電耦合系數k_p約為41％，相比已報道的一步法合成的具有相同組成的無鉛壓電陶瓷(d₃₃約110pC/N)提高了約16％。

附圖說明