[发明专利]氧化物增韧多孔锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及压电陶瓷的制备方法，具体为一种氧化物增韧多孔锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法。 

背景技术

压电陶瓷是一种将电能转换为机械能，或将机械能转换为电能的功能陶瓷。锆钛酸铅压电陶瓷具有高介电、压电性能以及可靠性好等优点，在高灵敏度水声传感器、超声换能器等方面应用广泛。尽管烧结致密的锆钛酸铅压电陶瓷具有高的压电应变常数（d₃₃，d₃₁），但由于晶态材料取向性的限制，其d33和d31的方向相反，导致静水压压电应变常数d_h（= d₃₃+2d₃₁）低，且致密压电陶瓷具有高的介电常数（ε），使静水压压电电压常数g_h（=d_h/ε）的值也非常小，从而使锆钛酸铅压电陶瓷的静水压品质因数HFOM（d_h×g_h）较低，用于水声传感器领域时，会降低器件灵敏度。另外，锆钛酸铅压电陶瓷的声阻抗大于10MRayls（106kg/m2s），比水的声阻抗（~1.5MRayls）或人体组织的声阻抗（1~2MRayls）高出许多，导致超声波信号在锆钛酸铅压电陶瓷与水或人体组织的界面处产生较大的能量损失，大大降低了超声换能器成像的分辨率。 

压电复合材料通过在压电陶瓷相中引入具有低密度、低介电性和无压电性的高分子聚合物（压电/聚合物复合材料）或空气相（多孔压电陶瓷），可以提高材料的静水压品质因数，在保留材料优良压电性能的同时，增加了材料与媒介的声阻抗匹配和材料的灵敏度，非常适合于水声传感器或超声换能器的使用要求。相对于压电/聚合物复合材料，多孔压电陶瓷具有制备工艺简单，使用温度宽泛，以及材料压电性能与孔隙率线性对应等优点。 

目前，人们普遍采用造孔剂燃烧工艺制备多孔锆钛酸铅压电陶瓷，该工艺将锆钛酸铅压电陶瓷粉体与造孔剂、粘结剂混合均匀后加压成型，之后坯体高温烧结去除造孔剂，保留多孔结构。然而，造孔剂在高温烧失过程中容易在坯体的孔壁上留下分布不均的缺陷，往往造成产品机械性能较差，严重制约了其应用。通常情况下，可以在原料阶段通过固相球磨混合的方法掺入少量的氧化物（ZnO，MgO，Al₂O₃，ZrO₂等）阻止锆钛酸铅压电陶瓷晶体在烧结过程中长大，以提高机械性能。但是，不同组分的原料在固相状态下难以混合均匀，影响产品机械性能的一致性和稳定性。中国专利CN 103274704A公开了一种微米级蜂窝陶瓷及其孔径和孔壁尺寸的调控方法。利用海藻酸钠与阳离子固化剂发生离子凝胶反应，形成均匀管状通道的现象，通过调节海藻酸钠和氧化铝陶瓷粉体的含量来调控氧化铝蜂窝陶瓷的孔径尺寸和孔壁厚度。所制得的氧化铝蜂窝陶瓷的孔径在10~300μm范围内可精确调控，孔壁厚度在5~100μm范围内可控，且分布均匀、高度有序的孔道结构使产品具有较高的机械强度。然而，上述方法采用氯化钙或氯化铜水溶液作为固化剂，在生产中很有可能引入锆钛酸铅压电陶瓷晶体，导致产品电学性能严重下降。 

发明内容

本发明为了解决现有工艺制备多孔锆钛酸铅压电陶瓷其电学性能和机械性能难以保证的问题，提供了一种氧化物增韧多孔锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法。 

本发明是采用如下技术方案实现的：氧化物增韧多孔锆钛酸铅压电陶瓷的制备方法，包括以下步骤： 

（1）将水、海藻酸钠、锆钛酸铅压电陶瓷粉体混合球磨6~12小时，得到分散均匀的陶瓷浆料，陶瓷浆料中锆钛酸铅压电陶瓷粉体的质量分数为5~25wt.%，海藻酸钠的质量分数为0.5~3wt.%，余量为水；

（2）将陶瓷浆料倒入模具中，在浆料表面喷覆高价阳离子溶液，发生固化反应，直到形成初始薄膜；

（3）向模具中加入占陶瓷浆料体积40~60%的高价阳离子溶液，静置，阳离子逐步置换浆料中的钠离子，形成蜂窝状结构的海藻酸盐离子凝胶坯体，待凝胶固化结束后脱模，得到湿坯；

（4）将湿坯置于0.5~2mol/L的乙酸乙酯或乙酸异戊酯溶液中12~48小时，置换高价阳离子，得到与步骤（3）阳离子含量不同的湿坯；

（5）将步骤（4）得到的湿坯置于丙酮或无水乙醇中进行完全溶剂置换，并在自然干燥条件下干燥24~48小时得到干坯；

（6）将干坯高温烧结，烧结温度为1100~1250℃，得到了氧化物掺杂量为0.1~2wt.%、孔隙率在30~70%的多孔锆钛酸铅压电陶瓷。