[发明专利]一种无铅压电织构厚膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无铅压电材料领域，具体涉及一种无铅压电厚膜织构化的方法。

背景技术

压电材料是一类重要的高技术功能材料，在工业、民用及军事产品上的应用十分广泛。 目前应用最广的是钙钛矿型的锆钛酸铅(PZT)基压电材料，但是其中PbO的含量高达70％，在 制备、使用及废弃后处理过程中会对人类和环境造成严重的危害。近年来，随着人们环保意 识的增强，压电材料的无铅化成为亟待解决的热点问题之一。

无铅压电材料主要有四种，分别是铋层结构化合物、钛酸铋钠基、钛酸钡(BaTiO₃，简 称BT)基及碱金属铌酸盐基无铅压电材料。铋层结构及钛酸铋钠基压电材料尽管居里温度高， 大多都在600℃以上，但是其压电性能较差，钛酸铋钠陶瓷的d₃₃仅有60pC/N，而钛酸铋陶瓷 只有20pC/N。BT是最早研究的无铅压电材料，其研究已经相当成熟，压电性能在无铅压电 材料中较高，BT压电陶瓷的d₃₃在190pC/N，但是其居里温度较低，仅有120℃。碱金属铌酸 盐压电材料的压电性能低于BT，其中铌酸钾钠(K_0.5Na_0.5NbO₃，简称KNN)经过热压烧结后的 d₃₃也仅有160pC/N，但是其居里温度较高，达到了420℃，可用于高温环境。

目前无铅压电材料的压电性能还远不如PZT基压电材料，因此提高无铅压电材料的压电 性能成为研究的热点。目前大多数研究者主要是通过掺杂对无铅压电材料进行改性，从而提 高其压电性能。近年来也有一些学者将研究重点转移到了压电陶瓷的织构化方面，以期通过 结构改性来提高其压电性能。无铅压电陶瓷的织构化程度可以通过Lotgering’s factor(F.K. Lotgering.Topotactical Reactions with Ferrimagnetic Oxides having Hexagonal Crystal Structures-I.Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry，9(2)(1959)：113-123)进行表征。 Yasuyoshi Saito(Yasuyoshi Saito，Hisaaki Takao，Toshihiko Tani，Tatsuhiko Nonoyama， Kazumasa Takatori，Takahiko Homma，Toshiatsu Nagaya&Masaya Nakamura.Lead-free piezoceramics.Nature，2004，432(4)：84-87)等通过掺杂、织构化对KNN陶瓷改性得到了d₃₃高 达416pC/N的压电陶瓷，其压电性能接近于PZT，推进了压电陶瓷的无铅化进程。而压电厚 膜的研究则大多数集中在PZT基材料上，无铅压电厚膜的报导还较少，无铅压电织构厚膜的 报导更是鲜为少见。

厚膜兼有块体和薄膜材料的许多优点。一方面，其厚度相比较块体来说大大减小，降低 了其在电路中的驱动电压，可使其工作在低电压高频率，这为在集成电路中使用提供了条件； 另一方面，其拥有可与块体材料相媲美的电气性能和抗疲劳性能。因此，厚膜材料和厚膜器 件一直受到材料科学工作者的关注。目前，研究较多的PZT和BST等厚膜材料已经大量应用 于各种压电、铁电、热释电器件、微波器件以及射频微电子机械系统等。制备成厚膜形态可 降低材料在电路中的驱动电压，有利于其在集成电路中的使用，而且相比于陶瓷来说，厚膜 更有利于器件的小型化。

使用流延法可以制备出织构化的陶瓷，提高材料的压电性能。但是目前关于使用流延法 制备BT和KNN无铅压电厚膜织构化，以提高其性能的报道仍然鲜为少见。

发明内容

本发明提供一种简单可行的制备BT和KNN无铅压电织构厚膜的方法。制备出一种取 向生长的无铅压电织构厚膜。

本发明主要通过以下步骤来制备无铅压电织构厚膜：

(1)选择基料，基料为BT(BaTiO₃)粉体或KNN(铌酸钾钠)粉体。

(2)选取模板，模板为BT片状粉体或NN(NaNO₃)片状粉体。