專利名稱：無(wú)模板絲網(wǎng)印刷制備織構(gòu)化鉍層狀壓電陶瓷的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)模板絲網(wǎng)印刷制備織構(gòu)化鉍層狀壓電陶瓷的工藝，屬于壓電陶瓷制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電材料是壓電材料里很重要的一個(gè)種類，它的分子式可以寫(xiě)為(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-，其中A為適合于12配位的1、2、3價(jià)離子或它們的復(fù)合，如K+，Na+，Ca2+，Sr2+，Pb2+，Ba2+，Ln3+，Bi3+；B為適合于八面體配位的離子或它們的復(fù)合，如Fe3+，Ti4+，V5+，Nb5+，Ta5+，Mo6+，W6+等；m為整數(shù)，對(duì)應(yīng)于(Am-1BmO3m+1)2-鈣鈦礦型八面體的層數(shù)，其值一般為1～5。它的結(jié)構(gòu)則可以描述為(Bi2O2)2+層和(Am-1BmO3m+1)2-層交錯(cuò)排列而成。鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電材料一般有居里溫度高，介電常數(shù)小，電阻率高，各項(xiàng)異性明顯(a(b)方向的自發(fā)極化遠(yuǎn)大于c方向)等特點(diǎn)，因此特別適合于高溫、高頻場(chǎng)合使用，比如作為高溫加速度計(jì)、高溫流量計(jì)和濾波器等。
普通方法制備的鉍層狀壓電陶瓷各向同性，壓電活性較低。而晶粒定向(織構(gòu)化)技術(shù)是利用了鉍層狀壓電陶瓷具有很強(qiáng)的各項(xiàng)異性的特點(diǎn)，將陶瓷晶粒定向排列，使陶瓷具有接近單晶的性能。因此晶粒定向技術(shù)能不降低鉍層狀壓電陶瓷的居里溫度的前提下大幅度提高其壓電性能。
模板劑制備鉍層狀壓電陶瓷的定向技術(shù)通過(guò)引入模板晶粒，在燒結(jié)時(shí)誘導(dǎo)晶粒生長(zhǎng)，從而達(dá)到晶粒定向排列的目的，如Tsuguto Takeuchi等人用流延法制備了高度取向的CaBi4Ti4O15陶瓷。這類方法需要單獨(dú)制備模板晶粒，工序多。本發(fā)明采用絲網(wǎng)印刷法，在不添加模板晶粒的情況下，通過(guò)無(wú)壓燒結(jié)得到晶粒高度取向的鉍層狀壓電陶瓷，這種工藝至今未有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于利用鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷壓電性能具有很強(qiáng)的各向異性，并且鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷沿a-b面生長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于c方向的特點(diǎn)，通過(guò)選擇合適粒徑的原料粉體，絲網(wǎng)印刷制備并且優(yōu)化燒結(jié)工藝使其晶粒產(chǎn)生定向排列。
本發(fā)明的目的可以通過(guò)如下的技術(shù)方案來(lái)達(dá)到按照鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷的化學(xué)式(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-，其中A位可以以氧化鉍(Bi2O3)、稀土金屬氧化物或堿土碳酸鹽(MCO3，M為Ca、Sr、Ba的一種或固溶體)為原料，B位可以以TiO2、Nb2O5、Ta2O5、V2O5、WO3或MoO3等金屬氧化物為原料，要求的原料粉體粒徑為100nm以下，添加松油醇或醋酸丁基溶纖劑為溶劑，乙基纖維素或羥乙基T-10為粘結(jié)劑。
溶劑、粘結(jié)劑和原料粉體的配比為溶劑占總重量的60.5-68.4wt％，粘結(jié)劑占總重量的3.2-3.8wt％，其余為原料粉體。將溶劑、粘結(jié)劑、原料粉體混合均勻，通過(guò)絲網(wǎng)印刷將漿料制備成膜片。將膜片疊壓成型，經(jīng)過(guò)排塑燒結(jié)制得織構(gòu)化的鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷。
具體實(shí)施方式
如下
將粘結(jié)劑加熱溶入溶劑中。按鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷的分子式(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-以化學(xué)整比稱量原料粉體(在稱量Bi2O3時(shí)一般過(guò)量1-6wt％以彌補(bǔ)燒結(jié)過(guò)程中揮發(fā)的Bi)。將之前溶解完全的溶液倒入原料粉體中，球磨混料均勻。
將混合均勻的漿料絲網(wǎng)印刷在襯底(如滌綸薄膜，塑料膠片等)上，然后放入80-100℃的烘箱中烘干。重復(fù)以上步驟得到所需厚度的絲網(wǎng)印刷膜片，一般厚度在0.05-3mm左右；從襯底上取下膜片，裁切成所需的尺寸，將裁切好的膜片疊壓成形并放入熱處理爐中排除其中的有機(jī)物；將排塑好的試樣在200-600MPa壓力下冷等靜壓；在1100-1200℃燒結(jié)試樣，燒結(jié)工藝為升溫速度1-5℃/min，在燒結(jié)溫度保溫2-5小時(shí)。
本發(fā)明成功地制備了晶粒定向排列鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷，X射線衍射(XRD)分析顯示陶瓷呈現(xiàn)很明顯的織構(gòu)化特征，而斷口的SEM照片可以看出晶粒很整齊的定向排列。
該陶瓷從微觀結(jié)構(gòu)到宏觀性能都具有非常明顯的各項(xiàng)異性，能在某一方向上極大的提高鉍層狀壓電材料的壓電性能。
與現(xiàn)有的晶粒定向方法相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明所采用的方法在燒結(jié)過(guò)程中無(wú)需施加外力；2、與模板晶粒生長(zhǎng)法相比，本發(fā)明所采用的方法無(wú)需添加模板晶粒；3、采用本發(fā)明制備的織構(gòu)化鉍層狀壓電陶瓷的取向度極高，可達(dá)到91-95％


圖1為固相法制備的CaBi4Ti4O15陶瓷的XRD圖譜，從圖中可以看出無(wú)規(guī)則取向時(shí)陶瓷的XRD分析結(jié)果。
圖2為絲網(wǎng)印刷法制備1120℃燒結(jié)的SrBi4Ti4O15陶瓷兩個(gè)不同方向的XRD圖譜，可以看出定向排列后陶瓷具有很強(qiáng)的織構(gòu)化特征。
圖3為絲網(wǎng)印刷法制備1120℃燒結(jié)的CaBi4Ti4O15陶瓷斷口的SEM照片，此圖顯示絲網(wǎng)印刷法制備的陶瓷在顯微結(jié)構(gòu)下觀察到的晶粒定向排列。
圖4為絲網(wǎng)印刷法制備1120℃燒結(jié)的CaBi4Ti4O15陶瓷斷口局部放大的SEM照片，此圖更加清晰的顯示了陶瓷內(nèi)部晶粒定向排列的特征。
圖5為絲網(wǎng)印刷法制備1000℃燒結(jié)的CaBi4Ti4O15陶瓷c方向的XRD圖譜。從圖中可以看出在低溫?zé)Y(jié)時(shí)，晶粒部分取向。說(shuō)明了晶粒定向是在燒結(jié)過(guò)程中逐步形成的。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1①漿料配制稱取3.314g乙基纖維素，加入52.871g松油醇。邊攪拌邊加熱直至乙基纖維素完全溶解。稱取CaCO32.296g，Bi2O321.597g，TiO27.332g，上述粉料粒徑分布在30-80nm。加入溶解有乙基纖維素的松油醇，球磨得到均勻混合的漿料。
②絲網(wǎng)印刷膜片將漿料絲網(wǎng)印刷至滌綸薄膜上，放入80℃的烘箱中烘干，重復(fù)以上步驟20次左右，直至形成0.15mm厚的膜片。
③成型排塑從基板上取下膜片，裁切12mm×12mm的方片，將裁切好的膜片疊壓成形并放入熱處理爐中排除其中的有機(jī)物；
④冷等靜壓對(duì)排塑好的試樣在400MPa壓力下進(jìn)行冷等靜壓，以消除其中的微觀缺陷；⑤將試樣放入熱處理爐中，以2℃/min的速度升溫至1120℃，并在此溫度保溫240分鐘。
實(shí)施例1制備的陶瓷的XRD衍射圖譜見(jiàn)圖2，斷口掃描照片見(jiàn)圖3，圖4實(shí)施例2①漿料配制稱取3.250g乙基纖維素，加入50.172g松油醇。邊攪拌邊加熱直至乙基纖維素完全溶解。稱取SrCO33.389g，Bi2O321.597g，TiO27.332g，上述粉料粒徑分布在30-80nm。加入溶解有乙基纖維素的松油醇，球磨得到均勻混合的漿料。
②絲網(wǎng)印刷膜片將漿料絲網(wǎng)印刷至滌綸薄膜上，放入80℃的烘箱中烘干，重復(fù)以上步驟20次左右，直至形成0.15mm厚的膜片。
③成型排塑從基板上取下厚膜，裁切12mm×12mm的方片，將裁切好的膜片疊壓成形并放入熱處理爐中排除其中的有機(jī)物；④冷等靜壓對(duì)排塑好的試樣在400MPa壓力下進(jìn)行冷等靜壓，以消除其中的微觀缺陷；⑤將試樣放入熱處理爐中，以2℃/min的速度升溫至1000℃，并在此溫度保溫240分鐘。
實(shí)施例2制備的陶瓷的XRD衍射圖譜見(jiàn)圖5，實(shí)施例1和例2的比較說(shuō)明了溫度對(duì)定向的影響。
權(quán)利要求
1.無(wú)模板絲網(wǎng)印刷制備織構(gòu)化鉍層狀壓電陶瓷的工藝，包括下述步驟(1)按照鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷的化學(xué)式(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-以化學(xué)整比稱量原料粉體，以松油醇或醋酸丁基溶纖劑為溶劑，乙基纖維素或羥乙基T-10為粘結(jié)劑；(2)溶劑、粘結(jié)劑和原料粉體的配比為溶劑占總重量的60.5-68.4wt％，粘結(jié)劑占總重量的3.2-3.8wt％，其余為原料粉體；(3)將粘結(jié)劑加熱溶入溶劑中，將溶解完全的溶液倒入原料粉體中，球磨混料均勻得到漿料；(4)將漿料絲網(wǎng)印刷在襯底上烘干，重復(fù)多次得到所需厚度的絲網(wǎng)印刷膜片，從襯底上取下膜片，裁切成所需的尺寸，將裁切好的膜片疊壓成形并放入熱處理爐排塑，將排塑好的試樣在200-600MPa壓力下冷等靜壓后燒結(jié)完成。
2.按權(quán)利要求1所述的無(wú)模板絲網(wǎng)印刷制備織構(gòu)化鉍層狀壓電陶瓷的工藝，其特征在于燒結(jié)條件為升溫速度1-5℃/min至1100-1200℃燒結(jié)試樣，保溫2-5小時(shí)。
3.按權(quán)利要求1或2所述的無(wú)模板絲網(wǎng)印刷制備織構(gòu)化鉍層狀壓電陶瓷的工藝，其特征在于所述原料粉體粒徑為100nm以下。
4.按權(quán)利要求1或2所述的無(wú)模板絲網(wǎng)印刷制備織構(gòu)化鉍層狀壓電陶瓷的工藝，其特征在于烘干溫度為80-100℃。
5.按權(quán)利要求1或2所述的無(wú)模板絲網(wǎng)印刷制備織構(gòu)化鉍層狀壓電陶瓷的工藝，其特征在于所述襯底為滌綸薄膜或塑料膠片等。
全文摘要
本發(fā)明按鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷的化學(xué)式(Bi
文檔編號(hào)C04B35/01GK1562874SQ20041001730
公開(kāi)日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月30日
發(fā)明者李永祥, 曾江濤, 荊學(xué)珍, 楊群保, 殷慶瑞 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所