无铅压电陶瓷制备方法的研究进展

论文

第26卷第5期

硅 酸 盐 通 报 Vo.l26 No.5

无铅压电陶瓷制备方法的研究进展

张 雷,沈建兴,李传山,董金美,马 元,闫春蕾

(山东轻工业学院材料科学与工程学院,济南 250353)

摘要:无铅压电陶瓷的开发和应用已经成为各个国家的研究热点。无铅压电陶瓷的制备方法是决定其结构、性质

和应用的关键因素。本文从粉体制备方法和陶瓷制备新技术两个方面综述了近几年无铅压电陶瓷制备方法(如溶

胶 凝胶法、水热法、熔盐法、压电厚膜技术、放电等离子烧结技术等)的研究进展,并对制备出的无铅压电陶瓷的性

能与传统方法进行了对比,讨论了不同制备方法的优缺点。

关键词:无铅压电陶瓷;制备方法;熔盐法;压电厚膜

中图分类号:TQ174 文献标识码:A 文章编号:1001 1625(2007)05 0957 05

ProgressonPreparationMethodofLead Free

PiezoelectricCeramic

ZHANGLei,SHENJian xing,LIChuan shan,DONGJin mei,MAYuan,YANChun lei

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ShandongInstituteofLightIndustry,Jinan250353,China)

Abstract:Developmentandapplicationoflead freepiezoelectricceramicshavebecometheconcernof

scientistsinmanycountries.Thepreparationmethodoflead freepiezoelectricceramicisthekeyfactorto

determineitsstructure,characterandapplication.Inthispaper,thedevelopmentofthemethodforpowder

synthesisandnewpreparationtechniqueofceramicwerereviewed,suchassol gelmethod,hydrothermal

method,moltensaltmethod,piezoelectricthickfilmtechology,sparkplasmasinteringtechnology.The

performanceofthelead freeceramicwhichwaspreparedbythosemethodsandtraditionmethodwere

contrastedandtherelativemeritsofthesemethodswerediscussed.

Keywords:lead freepiezoelectric;preparationmethod;moltensaltmethod;piezoelectricthickfilm

1 引 言

压电陶瓷作为电、力、热、光敏感材料,在超声换能、传感器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用。传统的压电陶瓷都是以PZT为基的压电陶瓷,铅含量一般都在70%以上,含铅压电陶瓷在制备、使用及废弃后处理过程中都会给环境和人类带来损害。近年来,随着环境保护和人类社会可持续发展的需求,新型环境友好的无铅压电陶瓷已经成为国内外致力研发的热点材料之一。2001年欧洲议会通过了关于 电器和电子设备中限制有害物质 的法令,并定于2008年实施。我国信息产业部也相继通过了类似法令,并逐年提高了研制无铅压电陶瓷的支持力度[1]。目前研究的无铅压电陶瓷材料按组成可分为以下几类:钛酸钡基

[2 4]无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、Na0.5BiO3基无铅压电陶瓷0.5Ti

基金项目:济南市科学技术发展计划项目(046039)

作者简介:张 雷(1982 ),男,硕士研究生.主要从事功能材料的研究.

通讯作者:沈建兴,E mai:lsjx@http://www.77cn.com.cn、钨青铜结构无铅压电陶瓷和铋

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层状结构无铅压电陶瓷。这些材料和传统的PZT基压电陶瓷相比,虽然有各自的特点,但压电性能比较差,不能完全取代目前广泛使用的PZT基压电陶瓷,为了提高无铅压电陶瓷的压电性能,人们已经在改变组分、掺杂改性等方面进行了大量的研究。作为无铅压电陶瓷材料研究、应用的基础,制备方法在提高无铅压电陶瓷性能方面显得尤为重要。

2 粉体制备方法

无铅压电陶瓷材料的优异性能是由其特殊的化学组成和显微结构来实现的,粉体的制备是原料的准备阶段,它的性能直接影响陶瓷材料的组成与结构,进而影响到材料的性能。

2.1 溶胶 凝胶法

溶胶 凝胶法是以金属醇盐或者无机盐为原料经水解,缩合,使溶液形成溶胶,然后再使溶胶凝胶化,再经热处理形成纳米级的粉体,然后再制备成无铅压电陶瓷。近年来由于传统的制备方法很难得到高性能的无铅压电陶瓷,而溶胶 凝胶法具有成本低、工艺和设备简单等优点,因此许多学者对其进行了研究。

[6]赵明磊等发现用溶胶 凝胶法制备的组分为(Bi0.5Na0.5)0.94 Ba0.06TiO3无铅压电陶瓷,其压电常数(d33

=173pC/N)与传统工艺制备相同组分的无铅压电陶瓷(d33=125pC/N)相比提高了约40%。Hou等[7,8][5]采用溶胶 凝胶工艺制备了高度均匀、致密(相对密度达到90%以上)的K0.5Bi0.5TiO3压电陶瓷,凝胶在700!下煅烧2h能够得到纯的钙钛矿相的K0.5Bi0.5TiO3粉体,烧结温度比用传统方法制备所需的温度低,较好的抑制了K和Bi组分的挥发,所以制得的K0.5Bi0.5TiO3的介电性能比较好,在1050!时相对介电常数 r(1kHz)=690,介电损耗tg =0.052。

溶胶 凝胶工艺制备的无铅压电陶瓷的优点是:(1)凝胶热处理温度和烧结温度低,能较好的抑制高温下易挥发组分的挥发,确保各组分的化学计量比,降低能耗;(2)材料的均匀性好,能够实现分子或原子级的均匀混合;(3)烧结出的无铅压电陶瓷比较致密,其压电和介电性能比较优异;(4)反应过程易于控制,设备简单,操作方便。但是溶胶 凝胶工艺也存在干燥收缩大,金属醇盐价格昂贵,有机溶剂对身体有害,制粉工艺较复杂,大规模工业化难度高等缺点

2.2 水热法[9,10]。

水热法是指在特制的密闭反应器(高压釜)中,采用水溶液作为反应体系,通过将反应体系加热至临界温度(或接近临界温度),在反应体系中产生高压环境而进行无机合成与材料制备的一种有效方法[11]。水热条件下离子反应和水解反应可以得到加速和促进,使一些在常温下反应速度很慢的热力学反应,在水热条件下可以实现快速反应。

Jing等[12]以Ti(OC4H9)4、Bi(NO3)3 5H2O、NaOH在160~220!下合成了Na0.5Bi0.5TiO3粉体,研究发现NaOH的浓度对粉体的相组成和微观形貌有很大影响,如图1a由许多微粒团簇构成的圆形粒子,随着NaOH浓度升高到10mol/L,导致了团聚粒子的形成并且在边缘形成立方形(图1b),当NaOH浓度达到12mol/L时,形成了大的、均一的立方形,粒径在3.5~5.5 m左右(图3c)。侯磊等[13]在KOH浓度12mol/L,

温度

图1 水热24h不同NaOH浓度Na0.5BiTiO3的FESEM照片0.5

Fig.1 FESEMphotographsofNa0.5Bi0.5TiO3withdifferentNaOHconcentrationsfor24h

(a)6mol/L,(b)10mol/L,(c)12mol/L

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200!,时间48h下水热合成钙钛矿相的K0.5Bi0.5TiO3粉体,具有较好的结晶性,晶体呈规则立方体形,粒径约40nm。该粉体烧结得到的K0.5Bi0.5TiO3无铅压电陶瓷,相对介电常数 r=700,接近传统方法制备陶瓷的相对介电常数682,陶瓷的介电损耗tg =0.048,仅为传统方法(0.490)的1/10,这种优良的介电性能归因于高的陶瓷密度(5.56g/cm),达到理论密度(5.93g/cm)的94%,优于传统方法的70%左右,从而显著优化了压电陶瓷的介电性能。

水热法制备无铅压电陶瓷其优点有:(1)粉体可真正实现低温合成,减少了一些挥发性物质的挥发,保证反应生成物的化学计量比;(2)粉体粒径发育良好,粒度分布均匀,颗粒度可控制,团聚程度轻;(3)无需球磨和高温煅烧,可以直接从液相中得到粉体,可避免杂质和结构缺陷的出现;(4)水热合成所用原料比较便

[12,13]宜,制备过程重复性好;(5)烧结出的无铅压电陶瓷密度高,介电性能优异。近年来的研究主要集中在

无铅压电陶瓷粉体的制备、合 …… 此处隐藏：9053字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……