一種鈦酸鋇基陶瓷換能器的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用無鉛壓電陶瓷(Ba0.95，Ca0.05)(Ti0.9，Sn0.1)O3+2％molCuO制備懸臂梁式換能器的方法。本發(fā)明的鈦酸鋇基壓電材料，具有環(huán)境無污染、燒結(jié)溫度低、壓電常數(shù)高和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)大的特點(diǎn)與優(yōu)勢。利用本發(fā)明的無鉛陶瓷制備懸臂梁式壓電換能器的操作簡單，且換能器在低頻下具有較高的功率密度。
【專利說明】
一種鈦酸鋇基陶瓷換能器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及無鉛壓電陶瓷的制備方法，具體是一種低溫?zé)Y(jié)(BaQ.95CaQ.05)(T0.9oSn0.1o)03-2%mol CuO陶瓷，然后利用陶瓷制備懸臂梁式換能器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電陶瓷換能器是能夠進(jìn)行力-電能量轉(zhuǎn)換的器件，廣泛應(yīng)用于生物、軍事、光電信息和可再生能源領(lǐng)域。通過加入助燒劑，利用固相反應(yīng)法制備無鉛壓電陶瓷的方法具有反應(yīng)溫度低，過程易于控制，適合大批量制備的優(yōu)點(diǎn)，且鈦基板上制備的壓電陶瓷換能器可將機(jī)械能有效地轉(zhuǎn)化為電能。
[0003]國內(nèi)專利號CN201410707662.2介紹了一種利用PZT-8壓電陶瓷片制備的超聲換能器，其選用全振動模式，阻抗小，可實(shí)現(xiàn)低電驅(qū)動，具有性能優(yōu)良，工作穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。
[0004]國內(nèi)專利號CN201310232520.0公開了一種用于混凝土材料檢測的超聲相控陣換能器的制造方法，每個陣元包括四層PZT片和基體材料，金屬電極垂直排列于陣元的側(cè)面。此發(fā)明靈敏度高，頻帶寬，可應(yīng)用于混凝土材料損傷檢測。
[0005]國內(nèi)專利號CN101546965公開了一種基于MEMS的平面振動雙螺旋壓電換能器，其設(shè)有外殼、PZT壓電薄膜、質(zhì)量塊、電極和接線端，主要應(yīng)用于環(huán)境中的低頻振動能量收集。
[0006]D.Z.Xue等人研究相共存對材料性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，對于(I _x) BaTi O3-XBaSnO3陶瓷，在乂 = 0.11，溫度為40°(:時(shí)的四相共存區(qū)具有優(yōu)異的壓電性能((133?697?(:/^，^?75000)ο(Y.G.Yao,C.Zhou，D.C.Lv，D.Wang,H.J.Wu, Y.D.Yang and X.B.Ren，“Largepiezoelectric effect in BaTi03~x BaSn〇3 system:The role of phase coexisting，，，Europhys.Lett.，99[12]1229013pp.(2011).)
[0007]L.F.Zhu等人研究BaTi03-x(0.4CaTi03-0.6BaSn03)體系中X的變化對陶瓷壓電性能的影響。研究表明，在X = 0.16和0.20時(shí)都會出現(xiàn)多相共存，d33最高可達(dá)570pC/N。(L.F.Zhu,B.P.Zhang,L.Zhao and J.F.Li,uHigh piezoelectricity of BaTi03-CaTi03-BaSn03lead-free ceramics，”J.Mater.Chem.C.，2[24]4764-4771(2014).)
[0008]目前研究最多的是以鋯鈦酸鉛(PZT)為代表的含鉛壓電陶瓷材料，并利用其制備換能器。但是鉛在給人類健康帶來極大危害的同時(shí)，也會對周圍環(huán)境造成重金屬污染，這嚴(yán)重限制了它的應(yīng)用。BaT13基壓電陶瓷經(jīng)摻雜改性后具有了優(yōu)異的性能，并以其環(huán)境友好性而成為最有可能替代鋯鈦酸鉛(PZT)的壓電材料之一，但現(xiàn)在卻鮮有發(fā)明將此性能優(yōu)良的無鉛壓電材料應(yīng)用在能量收集方面。本發(fā)明首先低溫?zé)Y(jié)高性能(Ba0.95Ca0.05)(T1.soSn0.KOOsl^molCuO無鉛壓電陶瓷，然后利用其在鈦基板上制備懸臂梁式換能器的方法尚未有報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009 ] 技術(shù)問題:本發(fā)明提供了一種(Ba，Ca)(T i，Sn) O3-2 % mo I CuO陶瓷換能器的制備方法，該方法簡單可靠，工藝重復(fù)性好，可操作性強(qiáng)。
[0010]技術(shù)方案:一種(Ba，Ca)(Ti，Sn)03-2%mol CuO陶瓷換能器的制備方法，采用固相反應(yīng)法制備無鉛壓電陶瓷，然后制備陶瓷換能器，包括如下步驟:
[0011]步驟1、以化學(xué)通式(BatL95Ca0.Q5) (T(L9QSmL1Q)O3I % mo I CuO為依據(jù)，按化學(xué)通式中的比例依次稱取藥品，放入球磨罐中以酒精為媒介，利用ZrO2介磨球在行星式球磨機(jī)上球磨1h。將混合后粉料烘干預(yù)燒后摻入2 %mo ICuO粉末，利用行星式球磨機(jī)再次球磨6h。將干燥后的粉料壓制成直徑13mm、厚度Imm左右的薄圓片。最后在1350°C的空氣氛圍下燒結(jié)3h制得無鉛壓電陶瓷；
[0012]步驟2、將步驟I所述無鉛(Ba，Ca)(Ti，Sn)03-2%mol CuO陶瓷磨至所需厚度，拋光鍍銀。燒銀后放入油浴鍋中，室溫下在3kV/mm的直流電場下極化30min;
[0013]步驟3、將步驟2所述極化后陶瓷邊緣銀漿打磨掉，并用鑷子夾脫脂棉蘸取丙酮溶液反復(fù)多次將一定大小的壓電陶瓷和鈦基底清洗干凈并晾干。
[0014]步驟4、將步驟3得到的兩片同樣大小的壓電陶瓷以并聯(lián)方式通過導(dǎo)電膠固定于鈦基底上，在陶瓷上下表面引出銅導(dǎo)線作為電極，同時(shí)在鈦基底上引出銅導(dǎo)線作為另一電極即得到(Ba，Ca)(Ti，Sn)03-2%mol CuO陶瓷換能器。
[0015]有益效果:本發(fā)明將性能優(yōu)異的無鉛壓電陶瓷應(yīng)用于能量收集，具有良好的環(huán)境兼容性。制備工藝簡單且性能優(yōu)異，由(Ba，Ca)(Ti，Sn)03-2%mol CuO陶瓷制備的懸臂梁式換能器的的功率密度可達(dá)2.82mW/cm3，這可與大部分的含鉛壓電材料媲美，具有良好的研究前景。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。下列實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，但并不用來限定發(fā)明的實(shí)施范圍。
[0017]步驟1、以化學(xué)通式(BatL95Ca0.Q5) (Το.Μηο.κΟΟΗ % mo I CuO為依據(jù)，按化學(xué)通式中的比例依次稱取藥品，放入球磨罐中以酒精為媒介，利用ZrO2介磨球在行星式球磨機(jī)上球磨1h。將混合后粉料烘干預(yù)燒后摻入2 %mo ICuO粉末，利用行星式球磨機(jī)再次球磨6h。將干燥后的粉料壓制成直徑13mm、厚度Imm左右的薄圓片。最后在1350°C的空氣氛圍下燒結(jié)3h制得無鉛壓電陶瓷；
[0018]步驟2、將步驟I所述無鉛(Ba，Ca)(Ti，Sn)03-2%mol CuO陶瓷磨至所需厚度，拋光鍍銀。燒銀后放入油浴鍋中，室溫下在3kV/mm的直流電場下極化30min;
[0019]步驟3、將步驟2所述極化后陶瓷邊緣銀漿打磨掉，并用鑷子夾脫脂棉蘸取丙酮溶液反復(fù)多次將一定大小的壓電陶瓷和鈦基底清洗干凈并晾干。
[0020]步驟4、將步驟3得到的壓電陶瓷以并聯(lián)方式通過導(dǎo)電膠固定于鈦基底上，在陶瓷上下表面引出銅導(dǎo)線作為電極，同時(shí)在鈦基底上引出銅導(dǎo)線作為另一電極即得到(Ba，Ca)(Ti,Sn)03-2%mol CuO陶瓷換能器。
[0021]實(shí)施例1
[0022]步驟1、以化學(xué)通式(BatL95Ca0.Q5) (Το.Μηο.κΟΟΗ % mo I CuO為依據(jù)，按化學(xué)通式中的比例依次稱取藥品，放入球磨罐中以酒精為媒介，利用ZrO2介磨球在行星式球磨機(jī)上球磨1h。將混合后粉料烘干預(yù)燒后摻入2 %mo ICuO粉末，利用行星式球磨機(jī)再次球磨6h。將干燥后的粉料壓制成直徑13mm、厚度Imm左右的薄圓片。最后在1350°C的空氣氛圍下燒結(jié)3h制得無鉛壓電陶瓷；
[0023]步驟2、將步驟I所述無鉛(Ba，Ca) (Ti , Sn)03-2%mol CuO陶瓷磨至所需厚度，拋光鍍銀。燒銀后放入油浴鍋中，室溫下在3kV/mm的直流電場下極化30min;
[0024]步驟3、將步驟2所述極化后陶瓷邊緣銀漿打磨掉，并用鑷子夾脫脂棉蘸取丙酮溶液反復(fù)多次將一定大小的壓電陶瓷和鈦基底清洗干凈并晾干。
[0025]步驟4、將步驟3得到的壓電陶瓷以并聯(lián)方式通過導(dǎo)電膠固定于鈦基底上，在陶瓷上下表面引出銅導(dǎo)線作為電極，同時(shí)在鈦基底上引出銅導(dǎo)線作為另一電極即得到(Ba，Ca)(Ti,Sn)03-2%mol CuO陶瓷換能器。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種無鉛壓電陶瓷換能器的制備方法，其特征在于，利用固相反應(yīng)法加入助燒劑CuO低溫?zé)Y(jié)高性能無鉛壓電陶瓷，然后制備懸臂梁式換能器，具體包括以下步驟: 步驟1、以化學(xué)通式(BatL95Ca0.Q5) (T1.goSn0.KOOsj^mol CuO為依據(jù)，按化學(xué)通式中的比例依次稱取各物質(zhì)，放入球磨罐中以酒精為媒介，利用ZrO2介磨球在行星式球磨機(jī)上球磨8-10h;將混合后粉料烘干預(yù)燒后摻入l%-3%molCu0粉末，利用行星式球磨機(jī)再次球磨6-8h;將干燥后的粉料壓制成直徑13mm、厚度0.8-1.2mm的薄圓片;最后在1250 °C -1400 °C的空氣氛圍下燒結(jié)3h制得無鉛壓電陶瓷； 步驟2、將步驟I所述無鉛(Ba，Ca)(Ti，Sn)03-2%mol CuO壓電陶瓷磨至所需厚度，拋光鍍銀，燒銀后放入油浴鍋中，室溫下在場強(qiáng)為3-4kV/mm的直流電場下極化20-30min; 步驟3、將步驟2所述極化后壓電陶瓷邊緣銀漿打磨掉，并用鑷子夾脫脂棉蘸取丙酮溶液反復(fù)多次將壓電陶瓷和鈦基底清洗干凈并晾干； 步驟4、將步驟3得到的同樣大小的兩片壓電陶瓷固定于鈦基底上，在壓電陶瓷上下表面引出銅導(dǎo)線作為電極，同時(shí)在鈦基底上引出銅導(dǎo)線作為另一電極即得到(Ba，Ca)(Ti，Sn)03-2% mo I CuO無鉛壓電陶瓷換能器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無鉛壓電陶瓷換能器的制備方法，其特征在于預(yù)燒后粉料加入CuO粉末，混合均勻后成型燒結(jié)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無鉛壓電陶瓷換能器的制備方法，其特征在于，所述步驟2中燒銀的過程為5 °C /min到680 °C，保溫20min后空冷至室溫。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無鉛壓電陶瓷換能器的制備方法，其特征在于，所述步驟3中陶瓷片直徑為I Imm，厚度依次為0.4mm;鈦基板厚度為0.5mm，寬度為15mm，長度為50mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無鉛壓電陶瓷換能器的制備方法，其特征在于，所述步驟4中陶瓷片的連接方式為并聯(lián)，并通過導(dǎo)電碳膠固定于鈦基底上。
【文檔編號】C04B35/468GK105845819SQ201610183961
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月28日
【發(fā)明人】王增梅, 孫艷華
【申請人】東南大學(xué)