專利名稱：一種提高Ba<sub>0.5</sub>Sr<sub>1.5</sub>Na<sub>0.6</sub>0K<sub>0.4</sub>Nb<sub>5</sub>O<sub>15</sub>陶瓷壓電常數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于Ba。.5Sr^Na。.6K。.4NbA5無(wú)鉛壓電陶瓷的改性領(lǐng)域。具體涉及 一種提高BaQ.5Sri.5NaQ.6K。.4Nb5015陶瓷壓電常數(shù)的方法。
技術(shù)背景壓電鐵電材料作為功能材料的重要的 一部分，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重 要的作用。壓電材料的研究從十九世紀(jì)起步，經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，己形成 相當(dāng)大的規(guī)模，其應(yīng)用范圍涉及到超聲傳感器、執(zhí)行器件、敏感器件、精密 位移控制器件，引燃器以及用于絕大多數(shù)電子器上的麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器等。目 前，壓電材料的比重己經(jīng)達(dá)到整個(gè)電子功能材料的40%左右，全球壓電材料銷 售額近110億美元。目前，正在被廣泛使用的壓電材料主要是以鋯鈦酸鉛 PbTi03-PbZr03 (PZT)為基的多元系含鉛材料，此類材料己具有較成熟的制造 工藝和優(yōu)良的壓電性能，因而被大量采用。其中氧化鉛(Pb30J占總含量的近 70%左右。而其在500。C時(shí)會(huì)分解為PbO,而PbO的熔點(diǎn)只有890°C。 PZT的燒 結(jié)溫度要高于1200°C，甚至接近130(TC，這樣導(dǎo)致PZT在高溫?zé)Y(jié)時(shí)不可避 免地會(huì)產(chǎn)生鉛揮發(fā)。鉛是一種有毒的元素，在壓電陶瓷工業(yè)中鉛的大量使用 勢(shì)必造成環(huán)境的污染，直接危害人類的健康。但對(duì)壓電陶瓷工業(yè)中存在的嚴(yán) 重的鉛污染問(wèn)題卻始終找不到有效的解決方法。并且鉛揮發(fā)會(huì)卩1起材料及相 關(guān)器件性能的不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生老化，增加了材料及相關(guān)器件的損耗。因此，從根本上解決壓電陶瓷工業(yè)對(duì)環(huán)境污染對(duì)人體危害的方法，就是研制開發(fā)出 性能優(yōu)良的、不含鉛組分的、能與環(huán)境協(xié)調(diào)的"綠色材料"。近十年來(lái)，無(wú) 鉛壓電材料的研究成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題，特別是日本、美國(guó)、歐盟等一些 發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)這一課題尤其重視。在日本、美國(guó)這些電子材料大國(guó)，政府在積 極鼓勵(lì)尋找含鉛壓電材料的替代者同時(shí)己制定政策限制鉛系壓電材料的發(fā)展。歐盟委員會(huì)明確規(guī)定在2008年以后禁止鉛基材料的使用。在我國(guó)，盡管 壓電材料無(wú)鉛化的研究開展的較晚，但政府現(xiàn)在也己經(jīng)意識(shí)到保護(hù)環(huán)境的重 要性。目前，人們正在研究的無(wú)鉛壓電陶瓷體系有BaTi03基無(wú)鉛壓電陶瓷； Bi。.5Na。.5Ti03 (NBT)基無(wú)鉛壓電陶瓷；NaNb03等鈮酸鹽系無(wú)鉛壓電陶瓷；鉍 層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷和鎢青銅結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷。氧八面體鐵電體中有一 部分是以鴒青銅結(jié)構(gòu)存在的，由于此類晶體結(jié)構(gòu)類似四角鎢青銅而得名。這 一結(jié)構(gòu)的基本特征是存在著[B06]式氧八面體，其中B以Nb"、 Ta5+為主。其中 鍶鉀摻雜的鋇納鈮酸鹽Ba。.5Sr,.5Na。.6K。.4NbAs以其具有大的自發(fā)極化強(qiáng)度和橫 向壓電常數(shù)而受到人們的關(guān)注，但僅僅通過(guò)優(yōu)化燒結(jié)工藝，材料物理性能的 提高是有限的。近年來(lái)利用激光對(duì)材料進(jìn)行輻照而達(dá)到提高材料物理性能的方法得到了 廣泛應(yīng)用，但還未見有激光輻照技術(shù)應(yīng)用于無(wú)鉛壓電陶瓷的改性領(lǐng)域。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種在不改變現(xiàn)有Ba。.sSr,.5Na。.6K。.4NbA5陶瓷制備 工藝條件的前提下，通過(guò)激光輻照燒結(jié)陶瓷體，從而提高其壓電常數(shù)的方法。本發(fā)明所提供的一種提高Ba。.5SrL5Na。.6K。.4NbA5陶瓷壓電常數(shù)的方法，關(guān) 鍵在于1)選4奪合適的激光功率密度；2)選擇合適的輻照時(shí)間。具體步驟 如下1 )采用常規(guī)陶資制備工藝，對(duì)Ba。.5SrL5Na。,6K。.4NbA5材料進(jìn)行配料、混合 和預(yù)反應(yīng)；2) 將預(yù)反應(yīng)后的粉料壓制成圓片狀坯體，再進(jìn)行燒結(jié)，形成致密的圓 片狀陶瓷體；3) 用連續(xù)C02激光輻照步驟2)所得的圓片狀陶瓷體，C02激光功率密 度為764 W/cm2 ,輻照時(shí)間為90秒。如圖1所示。與未輻照樣品相比較，本發(fā)明具有以下有益效果1 )本發(fā)明在不改變現(xiàn)有制備藝條件下，僅用激光輻照燒結(jié)陶瓷體，從而 提高Ba。.5SrL5Na。.6K。.4Nbs(^陶f(shuō):壓電常數(shù)。所獲得的陶乾樣品的壓電常數(shù)比未 輻照陶資的壓電常數(shù)有顯著提高，最大提高的幅度(d15)是未輻照陶瓷近 兩倍，自發(fā)極化強(qiáng)度達(dá)到未輻照樣品的1.6倍。2 )采用本發(fā)明獲得的樣品的壓電常數(shù)不但比傳統(tǒng)工藝下制備的陶瓷 大而且對(duì)樣品的處理時(shí)間4艮短，整個(gè)輻照過(guò)程在200秒以內(nèi)即可完成。3)本發(fā)明用激光輻照的方法大大提高了 Ba。.5SrL5Na。.6K。.4NbsOi5陶瓷的壓 電常數(shù)，改變了單純依賴改進(jìn)預(yù)燒和燒結(jié)的溫度及時(shí)間的現(xiàn)狀，操作簡(jiǎn)便， 效率高，可重復(fù)性強(qiáng)。
圖l、本發(fā)明激光輻照陶瓷體示意圖。以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1)將歸5， K2C03， Na2C03， SrC03和BaC。3粉料按摩爾比25:2:3:15:5 配料，經(jīng)8小時(shí)球磨混合后，在1000。C下預(yù)燒12小時(shí)，得到 Ba。.5S"sNa。.6K。.4NbA5分料；2 )將步驟1)中預(yù)燒的粉料球磨8小時(shí)，并烘干，將質(zhì)量濃度為3%的 聚乙晞醇(PVA)膠摻入粉料后(摻入膠的重量為粉料總重量的6 % ),稱取約5 ~ 6克重量的粉料，在200兆帕壓力下，壓制成直徑為8mm、厚度為1 ~ 3mm的 圓片狀坯體，在1250 ~ 1350°C下燒結(jié)1 ~ 3小時(shí)，形成直徑為7. lmm,高為1 ~ 2mm的致密的圓片狀陶資體；3)使用Rofin slab激光器對(duì)步驟2)所得圓片狀陶資體在764 W/cm2的 激光功率密度下進(jìn)行90秒的輻照。只十比例為比較輻照對(duì)樣品壓電性能的影響，采用實(shí)施例步驟2 )中未經(jīng)輻照的圓 片狀陶資體作為對(duì)比例。將實(shí)施例和對(duì)比例中經(jīng)輻照和未經(jīng)輻照的圓片狀陶瓷體拋光鍍金電極 后，采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)諧振-反諧振方法對(duì)樣品的壓電性能進(jìn)行測(cè)試，壓 電性能測(cè)定結(jié)果見表1。激光輻照后樣品的壓電常數(shù)比未經(jīng)輻照樣品的壓電常 數(shù)有大幅度的提高。這就改善了目前僅僅依靠提升燒結(jié)溫度或延長(zhǎng)預(yù)燒和燒 結(jié)時(shí)間以提高壓電常數(shù)的狀況。而研究表明，在適當(dāng)?shù)募す夤β拭芏认螺椪找欢螘r(shí)間的陶乾其微觀結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變。這種改變有利于材料物理性能的提高。樣品& (pC/N)& (pC/N)"A (pC/N)未輻照樣品19. 6%61. 616. 1%43. 27. 3% -16. 0激光輻照后樣品34. 1%12028. 9%69. 08. 1% -19. 7表l. Ba。.5Sr15Na。.6K。.4Nb5015陶瓷的壓電性能比較a"-厚度切變振動(dòng)模式機(jī)電耦合系數(shù)；厚度切變振動(dòng)模式壓電常數(shù)；與電場(chǎng)平行 的縱向振動(dòng)模式機(jī)電耦合系數(shù)；與電場(chǎng)平行的縱向振動(dòng)模式壓電常數(shù)；橫向長(zhǎng)度伸 縮振動(dòng)模式機(jī)電耦合系數(shù)；A廠橫向長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)模式壓電常數(shù)；(pC/N)-壓電常數(shù)單位，皮庫(kù)每牛頓)
權(quán)利要求
1、一種提高Ba0.5Sr1.5Na0.6K0.4Nb5O15陶瓷壓電常數(shù)的方法，其特征在于，包括以下步驟1)采用常規(guī)陶瓷制備工藝，對(duì)Ba0.5Sr1.5Na0.6K0.4Nb5O15材料進(jìn)行配料、混合和預(yù)反應(yīng)；2)將預(yù)反應(yīng)后的粉料壓制成圓片狀坯體，再進(jìn)行燒結(jié)，形成致密的圓片狀陶瓷體；3)用連續(xù)CO2激光輻照步驟2)所得的圓片狀陶瓷體，CO2激光功率密度為764W/cm2，輻照時(shí)間為90秒。
全文摘要
一種提高Ba<sub>0.5</sub>Sr<sub>1.5</sub>Na<sub>0.6</sub>K<sub>0.4</sub>Nb<sub>5</sub>O<sub>15</sub>陶瓷壓電常數(shù)的方法屬于Ba<sub>0.5</sub>Sr<sub>1.5</sub>Na<sub>0.6</sub>K<sub>0.4</sub>Nb<sub>5</sub>O<sub>15</sub>無(wú)鉛壓電陶瓷的改性領(lǐng)域。本發(fā)明方法步驟如下1)對(duì)Ba<sub>0.5</sub>Sr<sub>1.5</sub>Na<sub>0.6</sub>K<sub>0.4</sub>Nb<sub>5</sub>O<sub>15</sub>材料進(jìn)行配料、混合和預(yù)反應(yīng)；2)將預(yù)反應(yīng)后的粉料壓制成圓片狀坯體，進(jìn)行燒結(jié)，形成致密的圓片狀陶瓷體；3)用連續(xù)CO<sub>2</sub>激光輻照?qǐng)A片狀陶瓷體，CO<sub>2</sub>激光功率密度為764W/cm<sup>2</sup>，輻照時(shí)間為90秒。本發(fā)明提高了Ba<sub>0.5</sub>Sr<sub>1.5</sub>Na<sub>0.6</sub>K<sub>0.4</sub>Nb<sub>5</sub>O<sub>15</sub>陶瓷壓電常數(shù)，改變了單純依賴改進(jìn)預(yù)燒和燒結(jié)的溫度及時(shí)間的現(xiàn)狀，操作簡(jiǎn)便，效率高，可重復(fù)性強(qiáng)。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101239825SQ200810102388
公開日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2008年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日
發(fā)明者季凌飛, 杜新宇, 蔣毅堅(jiān) 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)