專利名稱：一種鋯鈦酸鋇和鈮酸鉀鈉復合的無鉛壓電厚膜的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無機材料中的壓電厚膜的制備方法，特別涉及一種鋯鈦酸鋇和鈮酸鉀 鈉復合的無鉛壓電厚膜的制備方法。
背景技術：
鑒于含鉛材料在制備、使用及廢棄處理過程中給環(huán)境和人類健康造成的危害，對 于材料無鉛化的研究逐漸成為材料領域的主要研究發(fā)展方向。目前具有鈣鈦礦結構的鈮酸 鉀鈉基壓電陶瓷因其具有高的壓電性和高的居里溫度而備受關注，但是采用傳統(tǒng)的陶瓷燒 結工藝很難制備出致密性好的純的鈮酸鉀鈉陶瓷體。鋯鈦酸鋇基壓電陶瓷因其高介電非線 性、低損耗以及化學結構的優(yōu)越性，被作為鈦酸鍶鋇的優(yōu)良的替代品。壓電厚膜(1 100微米)材料兼顧了薄膜(小于1微米)和塊體(毫米級)的 優(yōu)點，工作電壓低，工作頻率范圍寬，電性能接近塊體材料，能夠應用于高頻聲納換能器、彈 性聲表面波器件、新型超聲換能器、熱釋電紅外傳感器、微機械系統(tǒng)、微型馬達和微型驅動器等

發(fā)明內容
發(fā)明人另辟蹊徑，其目的在于提供一種鋯鈦酸鋇和鈮酸鉀鈉復合的無鉛壓電厚膜 的制備方法，能夠有效降低厚膜的燒結溫度，降低鉀鈉元素的揮發(fā)，提高厚膜的介電、鐵電、 壓電性能。為達到上述目的，本發(fā)明采用的以下技術方案予以實現(xiàn)。一種鋯鈦酸鋇和鈮酸鉀鈉復合的無鉛壓電厚膜的制備方法，其特征在于，包括以 下步驟(1)、按照BaZra5Tia95O3的化學計量比，將醋酸鋇溶解于冰醋酸中，80°C恒溫磁力 攪拌之后自然冷卻至室溫，得到醋酸鋇溶液；將摩爾比為1 2的鈦酸四正丁酯和乙酰丙酮 溶于乙二醇甲醚中，室溫磁力攪拌之后加入四正丁氧基鋯，再室溫磁力攪拌之后加入醋酸 鋇溶液，80°C恒溫磁力攪拌，之后自然冷卻至室溫，得到澄清的鋯鈦酸鋇先驅體溶膠；(2)、按照Ka5Naa5NbO3的化學計量比分別稱取碳酸鉀、碳酸鈉和五氧化二鈮，以無 水乙醇為媒介混合球磨，干燥后壓片，然后在1000°C下燒結4小時，得到具有鈣鈦礦結構的 鈮酸鉀鈉坯體，再經(jīng)破碎、球磨，得到微納米級鈮酸鉀鈉粉體；(3)、將微納米級鈮酸鉀鈉粉體與鋯鈦酸鋇先驅體溶膠混合，其中鈮酸鉀鈉的質量 含量為40% 70%，然后加入與鋯鈦酸鋇等摩爾的聚乙烯吡咯烷酮作為穩(wěn)定分散劑，球磨 使之充分分散均勻，再經(jīng)過磁力攪拌得到穩(wěn)定的混合漿料；(4)、采用旋涂工藝將所得的穩(wěn)定的混合漿料沉積在硅基底上，然后進行熱處理工 藝；重復上述旋涂工藝_熱處理工藝，得到鋯鈦酸鋇和鈮酸鉀鈉復合的無鉛壓電厚膜。本發(fā)明的進一步特點在于所述熱處理工藝為其中先150 200°C保溫3分鐘，再350 450°C保溫3 10分鐘，650 750°C退火3分鐘。所述旋涂工藝中，轉速為2000 5000轉/分鐘，旋涂時間為30 50秒。本發(fā)明制備出的復合厚膜經(jīng)χ射線衍射(XRD)、阻抗分析儀以及鐵電分析儀測試分析，確定具有以下性質(1)、制備的復合厚膜在650 750°C退火處理后，相結構呈現(xiàn)鈣鈦礦結構，表明鈮 酸鉀鈉和鋯鈦酸鋇結晶完全；(2)、膜層厚度為1 10 μ m。(3)、厚膜的介電常數(shù)在400 900之間，介電損耗小于10%，矯頑場強為50 150kV/cm，剩余極化強度為3 10μ C/cm2。


圖1為實施例1制備的鈮酸鉀鈉無鉛壓電復合厚膜的XRD圖；圖2為實施例1制備的鈮酸鉀鈉無鉛壓電復合厚膜的介電損耗譜；圖3為實施例1制備的鈮酸鉀鈉無鉛壓電復合厚膜的電滯回線；圖4為實施例2制備的鈮酸鉀鈉無鉛壓電復合厚膜的XRD圖；圖5為實施例2制備的鈮酸鉀鈉無鉛壓電復合厚膜的介電損耗譜；圖6為實施例2制備的鈮酸鉀鈉無鉛壓電復合厚膜的電滯回線；圖7為實施例3制備的鈮酸鉀鈉無鉛壓電復合厚膜的XRD圖；圖8為實施例3制備的鈮酸鉀鈉無鉛壓電復合厚膜的介電損耗譜；圖9為實施例3制備的鈮酸鉀鈉無鉛壓電復合厚膜的電滯回線；其中其中圖1、圖4、圖7的橫坐標表示X射線衍射角度，縱坐標表示衍射強度； 圖2、圖5、圖8中橫坐標表示測試頻率范圍，單位赫茲，左邊縱坐標表示相對介電常數(shù)，右邊 縱坐標表示損耗；圖3、圖6、圖9中橫坐標表示電場強度，單位千伏每厘米，縱坐標表示極化 強度，單位微庫每平方厘米。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。實施例1(1)、按照BaZra5Tia95O3的化學計量比，將醋酸鋇溶解于冰醋酸中，80°C恒溫磁力 攪拌30分鐘，之后自然冷卻至室溫，得到醋酸鋇溶液；將摩爾比為1 2的鈦酸四正丁酯和 乙酰丙酮溶于乙二醇甲醚中，室溫磁力攪拌40分鐘，之后加入四正丁氧基鋯，室溫磁力攪 拌40分鐘，得到混合溶液，再將醋酸鋇溶液加入其中，80°C恒溫磁力攪拌1小時，之后自然 冷卻至室溫，最終得到澄清的鋯鈦酸鋇先驅體溶膠，并調整鋯鈦酸鋇濃度為0. 4mol/L。(2)、按照Ka5Naa5NbO3的化學計量比分別稱取碳酸鉀、碳酸鈉和五氧化二鈮，以無水乙醇為媒介混合球磨4小時，80°C干燥2小時后壓片，然后在IOOiTC下燒結4小時，得到 具有鈣鈦礦結構的鈮酸鉀鈉坯體，再經(jīng)破碎，球磨7小時，得到微納米級鈮酸鉀鈉粉體；(3)、將微納米級鈮酸鉀鈉粉體與濃度為0. 4mol/L的鋯鈦酸鋇先驅體溶膠混合， 其中鈮酸鉀鈉的質量含量為70%，然后加入與鋯鈦酸鋇等摩爾的聚乙烯吡咯烷酮作為穩(wěn)定 分散劑，普通球磨4小時，使之充分分散均勻，再經(jīng)過磁力攪拌得到穩(wěn)定的混合漿料；
(4)、采用旋涂工藝將所得的穩(wěn)定的混合漿料沉積在鍍Pt的硅基底(Pt/Ti02/ Si02/Si)上，其中轉速為5000轉/分鐘，旋涂30秒；然后進行熱處理工藝，其中先200°C保 溫3分鐘，再350°C保溫10分鐘，750°C退火3分鐘；重復上述旋涂工藝-熱處理工藝，得到 厚度為6. 4微米鋯鈦酸鋇和鈮酸鉀鈉復合的無鉛壓電厚膜。如圖1，經(jīng)XRD (日本理學Rigaku D/Max-2400型X射線衍射儀，X射線源為Cu靶。)進行結構測試，所制厚膜呈現(xiàn)純鈣鈦礦相結構，無第二雜相。如圖2，復合厚膜的介電性使 用阻抗分析儀Agilent 4294A測試，介電常數(shù)在520 450之間，介電損耗小于0.04。如 圖3，鐵電性測試使用aixACT公司的TF2000鐵電測量系統(tǒng)，矯頑場2Ec為92. 04kV/cm，剩 余極化強度2Pr為8. 47 μ C/cm2。測試結果表明復合厚膜具有結晶良好的鈣鈦礦結構，并且 具有良好的介電、鐵電性。實施例2(1)、按照BaZra5Tia95O3的化學計量比，將醋酸鋇溶解于冰醋酸中，80°C恒溫磁力 攪拌30分鐘，之后自然冷卻至室溫，得到醋酸鋇溶液；將摩爾比為1 2的鈦酸四正丁酯和 乙酰丙酮溶于乙二醇甲醚中，室溫磁力攪拌40分鐘，之后加入四正丁氧基鋯，室溫磁力攪 拌40分鐘，得到混合溶液，再將醋酸鋇溶液加入其中，80°C恒溫磁力攪拌1小時，之后自然 冷卻至室溫，最終得到澄清的鋯鈦酸鋇先驅體溶膠，并調整鋯鈦酸鋇濃度為0. 4mol/L。(2)、按照Ka5Naa5NbO3的化學計量比分別稱取碳酸鉀、碳酸鈉和五氧化二鈮，以無 水乙醇為媒介混合球磨4小時，80°C干燥2小時后壓片，然后在IOOiTC下燒結4小時，得到 具有鈣鈦礦結構的鈮酸鉀鈉坯體，再經(jīng)破碎，球磨7小時，得到微納米級鈮酸鉀鈉粉體；(3)、將微納米級鈮酸鉀鈉粉體與濃度為0. 4mol/L的鋯鈦酸鋇先驅體溶膠混合， 其中鈮酸鉀鈉的質量含量為60%，然后加入與鋯鈦酸鋇等摩爾的聚乙烯吡咯烷酮作為穩(wěn)定 分散劑，普通球磨4小時，使之充分分散均勻，再經(jīng)過磁力攪拌得到穩(wěn)定的混合漿料；(4)、采用旋涂工藝將所得的穩(wěn)定的混合漿料沉積在鍍Pt的硅基底(Pt/Ti02/ Si02/Si)上，其中轉速為4000轉/分鐘，旋涂40秒；然后進行熱處理工藝，其中先200°C保 溫3分鐘，再350°C保溫10分鐘，750°C退火3分鐘；重復上述旋涂工藝-熱處理工藝，得到 厚度為5. 8微米鋯鈦酸鋇和鈮酸鉀鈉復合的無鉛壓電厚膜。如圖4，經(jīng)XRD (日本理學Rigaku D/Max-2400型X射線衍射儀，X射線源為Cu靶。) 進行結構測試，所制厚膜呈現(xiàn)純鈣鈦礦相結構，無第二雜相。如圖5，復合厚膜的介電性使用 阻抗分析儀Agilent 4294A測試，介電常數(shù)在430 360之間，介電損耗小于0.08。如圖 6，鐵電性測試使用aixACT公司的TF2000鐵電測量系統(tǒng)，矯頑場2Ec為107. 63kV/cm，剩余 極化強度2Pr為8. 51 μ C/cm2。測試結果表明復合厚膜具有結晶良好的鈣鈦礦結構，并且具 有良好的介電、鐵電性。實施例3(1)、按照BaZra5Tia95O3的化學計量比，將醋酸鋇溶解于冰醋酸中，80°C恒溫磁力 攪拌30分鐘，之后自然冷卻至室溫，得到醋酸鋇溶液；將摩爾比為1 2的鈦酸四正丁酯和 乙酰丙酮溶于乙二醇甲醚中，室溫磁力攪拌40分鐘，之后加入四正丁氧基鋯，室溫磁力攪 拌40分鐘，得到混合溶液，再將醋酸鋇溶液加入其中，80°C恒溫磁力攪拌1小時，之后自然 冷卻至室溫，最終得到澄清的鋯鈦酸鋇先驅體溶膠，并調整鋯鈦酸鋇濃度為0. 4mol/L。(2)、按照Ka5Naa5NbO3的化學計量比分別稱取碳酸鉀、碳酸鈉和五氧化二鈮，以無水乙醇為媒介混合球磨4小時，80°C干燥2小時后壓片，然后在1000°C下燒結4小時，得到 具有鈣鈦礦結構的鈮酸鉀鈉坯體，再經(jīng)破碎，球磨7小時，得到微納米級鈮酸鉀鈉粉體；(3)、將微納米級鈮酸鉀鈉粉體與濃度為0. 4mol/L的鋯鈦酸鋇先驅體溶膠混合， 其中鈮酸鉀鈉的質量含量為50%，然后加入與鋯鈦酸鋇等摩爾的聚乙烯吡咯烷酮作為穩(wěn)定 分散劑，普通球磨4小時，使之充分分散均勻，再經(jīng)過磁力攪拌得到穩(wěn)定的混合漿料；(4)、采用旋涂工藝將所得的穩(wěn)定的混合漿料沉積在鍍Pt的硅基底(Pt/Ti02/ Si02/Si)上，其中轉速為4000轉/分鐘，旋涂40秒；然后進行熱處理工藝，其中先200°C保 溫3分鐘，再350°C保溫10分鐘，650°C退火3分鐘；重復上述旋涂工藝-熱處理工藝，得到 厚度為5. 2微米鋯鈦酸鋇和鈮酸鉀鈉復合的無鉛壓電厚膜。如圖7，經(jīng)XRD (日本理學Rigaku D/Max-2400型X射線衍射儀，X射線源為Cu靶。) 進行結構測試，所制厚膜呈現(xiàn)純鈣鈦礦相結構，無第二雜相。如圖8，復合厚膜的介電性使用 阻抗分析儀Agilent 4294A測試，介電常數(shù)在360 320之間，介電損耗小于0.05。如圖 9，鐵電性測試使用aixACT公司的TF2000鐵電測量系統(tǒng)，矯頑場2Ec為124. 52kV/cm，剩余 極化強度2Pr為5. 73 μ C/cm2。測試結果表明復合厚膜具有結晶良好的鈣鈦礦結構，并且具 有良好的介電、鐵電性。
權利要求
一種鋯鈦酸鋇和鈮酸鉀鈉復合的無鉛壓電厚膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)、按照BaZr0.5Ti0.95O3的化學計量比，將醋酸鋇溶解于冰醋酸中，80℃恒溫磁力攪拌之后自然冷卻至室溫，得到醋酸鋇溶液；將摩爾比為1∶2的鈦酸四正丁酯和乙酰丙酮溶于乙二醇甲醚中，室溫磁力攪拌之后加入四正丁氧基鋯，再室溫磁力攪拌之后加入醋酸鋇溶液，80℃恒溫磁力攪拌，之后自然冷卻至室溫，得到澄清的鋯鈦酸鋇先驅體溶膠；(2)、按照K0.5Na0.5NbO3的化學計量比分別稱取碳酸鉀、碳酸鈉和五氧化二鈮，以無水乙醇為媒介混合球磨，干燥后壓片，然后在1000℃下燒結4小時，得到具有鈣鈦礦結構的鈮酸鉀鈉坯體，再經(jīng)破碎、球磨，得到微納米級鈮酸鉀鈉粉體；(3)、將微納米級鈮酸鉀鈉粉體與鋯鈦酸鋇先驅體溶膠混合，其中鈮酸鉀鈉的質量含量為40％～70％，然后加入與鋯鈦酸鋇等摩爾的聚乙烯吡咯烷酮作為穩(wěn)定分散劑，球磨使之充分分散均勻，再經(jīng)過磁力攪拌得到穩(wěn)定的混合漿料；(4)、采用旋涂工藝將所得的穩(wěn)定的混合漿料沉積在硅基底上，然后進行熱處理工藝；重復上述旋涂工藝-熱處理工藝，得到鋯鈦酸鋇和鈮酸鉀鈉復合的無鉛壓電厚膜。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種鋯鈦酸鋇和鈮酸鉀鈉復合的無鉛壓電厚膜的制備方法， 其特征在于，所述熱處理工藝為其中先150 200°C保溫3分鐘，再350 450°C保溫3 10分鐘，650 750°C退火3分鐘。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種鋯鈦酸鋇和鈮酸鉀鈉復合的無鉛壓電厚膜的制備方法， 其特征在于，所述旋涂工藝中，轉速為2000 5000轉/分鐘，旋涂時間為30 50秒。
全文摘要
本發(fā)明涉及無機材料中的壓電厚膜的制備方法，公開了一種鋯鈦酸鋇和鈮酸鉀鈉復合的無鉛壓電厚膜的制備方法。它包括以下步驟(1)按照BaZr0.5Ti0.95O3的化學計量比，制備鋯鈦酸鋇先驅體溶膠；(2)按照K0.5Na0.5NbO3的化學計量比分別稱取碳酸鉀、碳酸鈉和五氧化二鈮，混合球磨、干燥、壓片、燒結，再經(jīng)破碎、球磨，制備微納米級鈮酸鉀鈉粉體；(3)將微納米級鈮酸鉀鈉粉體與鋯鈦酸鋇先驅體溶膠混合，其中鈮酸鉀鈉的質量含量為40％～70％，制備穩(wěn)定的混合漿料；(4)重復旋涂工藝-熱處理工藝，得到鋯鈦酸鋇和鈮酸鉀鈉復合的無鉛壓電厚膜。
文檔編號C04B35/622GK101798218SQ20101012720
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月18日 優(yōu)先權日2010年3月18日
發(fā)明者任巍, 史鵬, 吳小清, 姚姍姍, 姚熹, 王玲艷, 紀紅芬, 閆興偉, 陳曉峰 申請人:西安交通大學