[发明专利]一种用于高频超声换能器的无铅压电复合厚膜的制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及无机材料中的压电复合厚膜的制备方法，特别涉及一种用于高频超声换能器的钛酸铋钠/钛酸铋钾钠无铅压电复合厚膜的制备方法。

【背景技术】

鉴于含铅材料在制备、使用及废弃处理过程中给环境和人类健康造成的危害，对于材料无铅化的研究逐渐成为材料领域的主要研究发展方向。目前，具有钙钛矿结构的铌酸钾钠基压电陶瓷因其具有高的压电性和高的居里温度而备受关注，但是采用传统的陶瓷烧结工艺很难制备出致密性好的纯的铌酸钾钠陶瓷体。钛酸铋钠因其在室温下强铁电性同样受到关注，但是纯的钛酸铋钠压电陶瓷存在矫顽场高、相变温度低的缺点，从而影响其实用化。

压电厚膜（1～100微米）材料兼顾了薄膜（小于1微米）和块体（毫米级）的优点，工作电压低，工作频率范围宽，电性能接近块体材料，能够应用于高频声纳换能器、弹性声表面波器件、新型超声换能器、热释电红外传感器、微机械系统、微型马达和微型驱动器等。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种用于高频超声换能器的无铅压电复合厚膜的制备方法，能够有效降低厚膜的烧结温度，降低钾、钠、铋元素的挥发，提高厚膜的介电、铁电、压电性能。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种用于高频超声换能器的无铅压电复合厚膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）、按照Bi_0.5Na_0.5TiO₃的化学计量比，先将五水硝酸铋溶于乙二醇甲醚中，室温磁力搅拌，得到硝酸铋溶液；将无水乙酸钠溶于乙二醇甲醚中，室温磁力搅拌，得到乙酸钠溶液；将摩尔比为1：2的钛酸四正丁酯和乙酰丙酮溶于乙二醇甲醚中，室温磁力搅拌，得到钛酸四正丁酯混合溶液；然后分别将硝酸铋溶液和乙酸钠溶液滴加至钛酸四正丁酯混合溶液中，并在70~90℃下恒温磁力搅拌，之后自然冷却至室温，得到澄清的钛酸铋钠先驱体溶胶；

（2）、按照Bi_0.5(Na_1-xK_x)_0.5TiO₃的化学计量比分别称取碳酸钾、碳酸钠、三氧化二铋和二氧化钛，以无水乙醇为媒介混合球磨，干燥后压片，然后在600℃~1150℃下烧结2~4小时，得到具有钙钛矿结构的钛酸铋钾钠坯体，再经破碎、球磨，得到微纳米级钛酸铋钠粉体；x=0.1~0.5；

（3）、将微纳米级钛酸铋钾钠陶瓷粉体与钛酸铋钠先驱体溶胶混合，然后加入与钛酸铋钠基体等摩尔的高聚物作为稳定分散剂，球磨使之分散均匀，再经过磁力搅拌得到稳定的混合浆料；

（4）、采用旋涂工艺将所得的稳定的混合浆料沉积在硅基底上，然后进行热处理工艺，重复上述旋涂工艺-热处理工艺，得到具有钛酸铋钠/钛酸铋钾钠无铅压电复合厚膜；所述压电复合厚膜的厚度为0.5~30μm。

本发明进一步的改进在于：所述热处理工艺为：先150℃～200℃保温3~5分钟，再350℃～450℃保温3～10分钟，650℃～750℃退火3～5分钟。

本发明进一步的改进在于：所述旋涂工艺为：转速为3000转/分钟，旋涂30秒。

本发明进一步的改进在于：步骤（3）中钛酸铋钾钠陶瓷粉体占钛酸铋钾钠陶瓷粉体和钛酸铋钠先驱体溶胶的总质量的20%-80%。

本发明进一步的改进在于：步骤（3）中钛酸铋钾钠陶瓷粉体占钛酸铋钾钠陶瓷粉体和钛酸铋钠先驱体溶胶的总质量的20%-40%、20%-60%、40%-60%或40%-80%。

本发明进一步的改进在于：步骤（1）中选用过量的五水硝酸铋和无水乙酸钠，其中，五水硝酸铋含量过量范围在0.5%-5%摩尔，无水乙酸钠的过量范围在0.5%-10%摩尔。

本发明进一步的改进在于：步骤（1）中选用过量的五水硝酸铋和无水乙酸钠，其中，五水硝酸铋含量过量2%摩尔，无水乙酸钠过量10%摩尔。

本发明进一步的改进在于：步骤（3）中选用的高聚物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇或聚乙烯醇缩丁醛。

本发明进一步的改进在于：步骤（3）中钛酸铋钾钠陶瓷粉体占钛酸铋钾钠陶瓷粉体和钛酸铋钠先驱体溶胶的总质量的40%，x=0.18。