專利名稱：：激光快速燒結(jié)Sr_1.86Ca_0.14NaNb₅O₁₅壓電陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于Sru6Cau4NaNbAs無鉛壓電陶瓷的制備領(lǐng)域，具體涉及一種激光快速燒結(jié)Srl86Ca.14NaNb5015壓電陶資的方法。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4oy。左右，全球壓電材料銷售額近no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(Pb304)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1300。C，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)重的鉛污染問題卻始終找不到有效的解決方法。并且鉛揮發(fā)會(huì)引起材料及相關(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，無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，人們正在研究的無鉛壓電陶資體系有BaTi03基無鉛壓電陶瓷；Bi.5Na。.5Ti03(NBT)基無鉛壓電陶瓷;Na跳等鈮酸鹽系無鉛壓電陶瓷；鉍層狀結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶乾和鴒青銅結(jié)構(gòu)無鉛壓電陶資。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Nb5+、Ta"為主。其中鈣摻雜的鍶納鈮酸鹽SrL86Ca。,"NaNbA5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。然而傳統(tǒng)的陶瓷制備方法存在著燒結(jié)溫度相對(duì)偏高(1400°C)，時(shí)間偏長(zhǎng)(一般24小時(shí)以上)的問題。因此，傳統(tǒng)工藝的制備周期較長(zhǎng)效率低，并且能耗較大，不利于工業(yè)生產(chǎn)。近年來把激光作為熱源對(duì)陶瓷進(jìn)行快速燒結(jié)的方法得到了廣泛應(yīng)用。然而由于激光能量密度大，且激光源是一種嚴(yán)格定向的集中加熱源等特點(diǎn)使激光燒結(jié)陶瓷是一個(gè)快速升降溫過程，致使激光燒結(jié)出的陶瓷不均勻，密度較低，且容易出現(xiàn)裂紋。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，而提供一種快速燒結(jié)Sr^Ca^NaNbAs陶乾的方法。本發(fā)明將激光擴(kuò)束到與陶瓷素坯體同樣大小即激光束完全覆蓋陶瓷素坯體，使燒結(jié)出的陶瓷均勻，在燒結(jié)過程中對(duì)激光功率進(jìn)行控制使陶瓷體的溫度均勻升高和降低從而燒結(jié)出致密且無裂紋的Sr^Ca?！?NaNbA5壓電陶瓷，具體步驟如下(如圖1所示)1)采用常規(guī)陶瓷制備工藝，對(duì)Sru6Ca?！筃aNbA5陶瓷材料進(jìn)行配料、混合和預(yù)反應(yīng)，得到粉料；2)將質(zhì)量濃度為3。/。的聚乙烯醇(PVA)膠摻入粉料中，膠的加入量為粉料重量的6%，在200兆帕壓力下，壓制成直徑為8mm、厚度為2mm的圓片狀陶瓷素坯體；3)將陶瓷素坯體置于數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)上，采用光斑直徑與陶瓷素坯直徑相等的激光束進(jìn)行輻照燒結(jié)，激光位于圓片狀陶瓷素坯體圓心，將激光功率在60秒內(nèi)從OW線性升高到60W,并于60W下輻照60秒，使陶瓷素坯體內(nèi)的PVA膠水充分蒸發(fā)；再將激光功率于60秒內(nèi)從60W線性升高到90W，并在90W下輻照300秒，使素坯體完全成資；最后將激光功率于120秒內(nèi)從90W降到0W,結(jié)束燒結(jié)得到致密且完整的Sru6Ca?！?NaNbsO,5壓電陶瓷。本發(fā)明的關(guān)鍵在于選擇合適的激光功率和輻照時(shí)間。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下有益效果1)采用本發(fā)明獲得的樣品的物理性能不但比傳統(tǒng)工藝下制備的陶瓷好而且樣品的制備時(shí)間大大縮短短，整個(gè)燒結(jié)過程在IO分鐘以內(nèi)即可完成，是傳統(tǒng)爐燒工藝燒結(jié)時(shí)間的近1/200。2)本發(fā)明在不改變?nèi)魏翁沾稍牧霞敖M分配比的工藝條件下，用激光輻照燒結(jié)陶瓷素坯的方法，獲得了致密的Sr^Ca。,"NaNbA5陶瓷，其相對(duì)密度達(dá)到了96%。所獲得的陶瓷樣品的剩余極化強(qiáng)度達(dá)到了3.0iLiC/cir^是傳統(tǒng)爐燒陶瓷的近1倍，詳見表1。3)本發(fā)明用激光燒結(jié)的方法提高了Sru6Ca。^NaNbA5陶瓷的物理性能，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1、本發(fā)明激光燒結(jié)陶瓷示意圖。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。具體實(shí)施方式1)將SrC03、CaC03、^20)3和^205粉末按摩爾比93:7:25:125配料,球磨混合8小時(shí)后，在1000。C下預(yù)燒12小時(shí)得到Sr!.86Ca。.wNaNbA5的粉料，再將預(yù)燒后的粉料進(jìn)行球磨8小時(shí)，并烘干；2)將質(zhì)量濃度為3。/。的聚乙烯醇(PVA)膠摻入粉料后(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2mm的圓片狀素坯體；3)將素坯體放入電爐內(nèi)，以100。C/小時(shí)的速率升溫至1300。C，并保溫3小時(shí)，然后以100。C/小時(shí)的速率降至室溫，最終燒結(jié)成致密的片狀陶瓷體。實(shí)施例1)將SrC03、CaC03、^2(:03和^)205粉末按摩爾比93:7:25:125配料,球磨混合8小時(shí)后，在1000。C下預(yù)燒12小時(shí)得到SruCa。."NaNb5O,5的粉料，再將預(yù)燒后的粉料進(jìn)行球磨8小時(shí)，并烘干；2)將質(zhì)量濃度為3%的聚乙烯醇(PVA)膠摻入粉料后(膠的重量為粉料總重量的6%),稱耳又約56克重量的粉料，在200兆帕壓力下，壓制成直徑為8mm、厚度為2mm的圓片狀素坯體；3)將陶瓷素坯體置于數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)上以進(jìn)行激光輻照燒結(jié)，激光位于圓片狀陶瓷素坯圓心，光斑直徑與陶瓷素坯直徑相等，激光功率在60秒內(nèi)從0W線性升高到60W并在60W下輻照60秒，在接下來的60秒內(nèi)激光功率從60W線性升高到90W并在90W下輻照300秒，最后用120秒使激光功率從90W降到OW結(jié)束燒結(jié)而得到致密且完整的Srl86Ca。.MNaNW)u壓電陶瓷。為了比較激光燒結(jié)樣品與傳統(tǒng)爐燒樣品物理性能，采用阿基米德法分別測(cè)量對(duì)比例和實(shí)施例中制備的Sr^Ca。.MNaNbA5壓電陶瓷密度后，拋光、鍍金電極，進(jìn)行鐵電性能的測(cè)量，如表1所示。在適當(dāng)?shù)募す夤β拭芏认聦?duì)陶瓷素坯體輻照一段時(shí)間可以燒結(jié)出致密的陶瓷體，其密度與傳統(tǒng)爐燒陶瓷體相當(dāng)、鐵電性能有所提高，而其制備時(shí)間卻大大縮短，僅為IO分鐘，是傳統(tǒng)爐燒工藝制備時(shí)間的近1/200。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表l.激光燒結(jié)與傳統(tǒng)爐燒樣品物理性能比較(T:燒結(jié)時(shí)間；Ps:自發(fā)極化強(qiáng)度；P,:剩余極化強(qiáng)度；Ec:矯頑場(chǎng)；prel:相對(duì)密度)權(quán)利要求1、一種激光快速燒結(jié)Sr1.86Ca0.14NaNb5O15壓電陶瓷的方法，其特征在在于，包括以下步驟1)采用常規(guī)陶瓷制備工藝，對(duì)Sr1.86Ca0.14NaNb5O15陶瓷材料進(jìn)行配料、混合和預(yù)反應(yīng)，得到粉料；2)將質(zhì)量濃度為3％的聚乙烯醇PVA膠摻入粉料中，膠的加入量為粉料重量的6％，在200兆帕壓力下，壓制成直徑為8mm、厚度為2mm的圓片狀陶瓷素坯體；3)將陶瓷素坯體置于數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)上，采用光斑直徑與陶瓷素坯直徑相等的激光束進(jìn)行輻照燒結(jié)，將激光功率在60秒內(nèi)從0W線性升高到60W，并于60W下輻照60秒；再將激光功率于60秒內(nèi)從60W線性升高到90W，并在90W下輻照300秒；最后將激光功率于120秒內(nèi)從90W降到0W，結(jié)束燒結(jié)得到Sr1.86Ca0.14NaNb5O15壓電陶瓷。全文摘要激光快速燒結(jié)Sr_1.86Ca_0.14NaNb₅O₁₅壓電陶瓷的方法屬于Sr_1.86Ca_0.14NaNb₅O₁₅無鉛壓電陶瓷的制備領(lǐng)域。傳統(tǒng)工藝制備周期長(zhǎng)、效率低、能耗大，不利于工業(yè)生產(chǎn)。本發(fā)明通過對(duì)Sr_1.86Ca_0.14NaNb₅O₁₅陶瓷配料、混合、預(yù)反應(yīng)、摻膠、壓片得到陶瓷素坯體后，再采用光斑直徑與其相等的激光束輻照燒結(jié)將功率在60秒內(nèi)從0W線性升高到60W輻照60秒；再將功率于60秒內(nèi)線性升高到90W輻照300秒；最后將功率于120秒內(nèi)降到0W，結(jié)束燒結(jié)得到致密且完整的Sr_1.86Ca_0.14NaNb₅O₁₅壓電陶瓷。本發(fā)明操作簡(jiǎn)便、燒結(jié)時(shí)間短、產(chǎn)品物理性能好，可重復(fù)性強(qiáng)。文檔編號(hào)C04B35/495GK101265115SQ20081010426公開日2008年9月17日申請(qǐng)日期2008年4月18日優(yōu)先權(quán)日2008年4月18日發(fā)明者季凌飛,杜新宇,胡振江,蔣毅堅(jiān)申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)